Vyˇ sˇ s ı odborn a ˇ skola, Stˇ redn ı ˇ skola, Centrum odborn e pˇ r ıpravy Sezimovo Ust ı ABSOLVENTSK A PR ACE 2011 Tom aˇs ˇ Sik yˇ r

´ˇ ˇedn´ı ˇ Vyˇ sˇ s´ı odborna skola, Str skola, ´ pr ˇ´ıpravy Centrum odborne ´ ´ı Sezimovo Ust

´ PRACE ´ ABSOLVENTSKA

2011

ˇ yˇ Tom´ aˇs Sik´ r

´ˇ ˇedn´ı ˇ Vyˇ sˇ s´ı odborna skola, Str skola, ´ pr ˇ´ıpravy Centrum odborne

´ PRACE ´ ABSOLVENTSKA Syst´ em vodn´ıho hospod´ aˇ rstv´ı – laboratorn´ı model

´ ı, 2011 Sezimovo Ust´

ˇ yˇ Autor: Tom´ aˇ s Sik´ r

ii

Podˇ ekov´ an´ı Dˇekuji pˇredevˇs´ım vedouc´ımu absolventské práce Ing. Jiˇr´ımu Roubalovi, Ph.D. za jeho d˚ usledné veden´ı, podnˇetné rady a ˇcas, který vˇenoval mé práci. Podˇekován´ı patˇr´ı téˇz Ing. Jaroslavu Svobodovi za jeho ˇcas a rady pˇri zpracován´ı technické dokumentace pro výrobu modelu vodn´ıho hospodáˇrstv´ı. Dále bych rád vyjádˇril velký d´ık uˇcitel˚ um odborného výcviku za pomoc pˇri realizaci laboratorn´ıho modelu, konkrétnˇe Danielu Krˇzovi a Jiˇr´ımu Vrkoˇcovi za frézován´ı jednotlivých ˇcást´ı plexi, Miroslavu Vrzalovi za soustruˇzen´ı pˇr´ırub ventil˚ u a pˇr´ıruby pro pˇripojen´ı zubového ˇcerpadla, Jaroslavu Dvoˇrákovi, Vladim´ıru Hloˇzkovi, Mikuláˇsi Szolgayovi, Janu Pumprovi a Josefu Hrstkovi za jejich rady a pomoc pˇri lepen´ı modelu. D´ık patˇr´ı také Bc. Miroslavu Hospodáˇrskému za jeho ˇcas a významnou pomoc s návrhem a realizac´ı elektroniky pro ˇr´ızen´ı modelu. Dˇekuji mým bl´ızkým za podporu bˇehem studia a také veden´ı ˇskoly za poskytnuté finanˇcn´ı prostˇredky na stavbu modelu pro novou laboratoˇr aplikované informatiky a fyziky.

iv

Anotace Tato absolventská práce se zabývá návrhem modelu systému vodn´ıho hospodáˇrstv´ı pro výuku v podm´ınkách ˇskoln´ı laboratoˇre. Model je nejprve matematicky popsán v programovém prostˇred´ı MATLAB/Simulink. Souˇcást´ı práce je popis tvorby simulinkového modelu pro vyuˇzit´ı pˇri praktické i teoretické výuce modern´ı teorie ˇr´ızen´ı. Je vytvoˇrena jeho virtuáln´ı realita pro simulaci a ovˇeˇren´ı správné funkce modelu. Dále práce obsahuje podklady ve formˇe technických výkres˚ u pro výrobu modelu. Téˇz je navrˇzena elektronika pro ˇr´ızen´ı a ovládán´ı modelu. Elektronika umoˇzn ˇ uje ovládat model ruˇcnˇe nebo pomoc´ı poˇc´ıtaˇce v prostˇred´ı MATLAB/Simulink a karty MF624.

Kl´ıˇ cov´ a slova: Laboratorn´ı model, vodn´ı hospodáˇrstv´ı, MATLAB/Simulink, matematicko-fyzikáln´ı model, diferenciáln´ı rovnice, virtuáln´ı model, výkresová dokumentace, elektronika, plexisklo.

Annotation Diese Diplomarbeit befasst sich mit dem Modellsystem der Wasserwirtschaft f¨ ur den Unterricht im Labor. Das Modell wird zunächst mathematisch im Programm MATLAB/Simulink beschrieben. Die Arbeit beschreibt die Konstruktion eines Simulink Modells f¨ ur die Benutzung im praktischen und theoretischen Unterricht der modernen Theorie der Steue¨ rung. Es wurde eine Virtual-Reality-Simulation f¨ ur Uberpr¨ ufung der korrekten Funktion des Modells erstellt. Dann werden die Dokumente in Form von technischen Zeichnungen f¨ ur die Produktion der Modelle erstellt. Es ist die Elektronik f¨ ur Steuerung und Regelung des Modells entworfen. Elektronische Steuerung erlaubt, das Modell manuell oder mit Hilfe des Computerprogramms MATLAB/Simulink und der Karte MF624 zu steuern.

Termine: Labormodell, Wasserwirtschaft, MATLAB/Simulink, Matematisch-physikalmodell, Differentialgleichung, Virtualmodell, Zeichnungsdokumentation, Elektronik, Plexiglas.

v

vi

Obsah Seznam pouˇ zit´ ych symbol˚ u

ix

Seznam obr´ azk˚ u

xi

Seznam tabulek

xiii

´ 1 Uvod

1

2 Model vodn´ıho hospod´ aˇ rstv´ı

3

2.1

Matematický model vodn´ıho hospodáˇrstv´ı . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

2.2

Simulinkový model vodn´ıho hospodáˇrstv´ı

. . . . . . . . . . . . . . . . .

5

Virtuáln´ı model vodn´ıho hospodáˇrstv´ı . . . . . . . . . . . . . . .

8

Analýza simulinkového modelu vodn´ıho hospodáˇrstv´ı . . . . . . . . . . .

13

2.2.1 2.3

3 N´ avrh konstrukce re´ aln´ eho modelu

17

3.1

Senzory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

3.2

Akˇcn´ı ˇcleny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

3.2.1

Ventily . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˇ Cerpadla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

Mechanická konstrukce modelu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ´ 3.3.1 Uprava p˚ uvodn´ıho modelu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

3.3.2

Výrobn´ı výkresy

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

3.3.3

Výroba d´ıl˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

3.3.4

Lepen´ı modelu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

3.3.5

Provozn´ı kapalina

26

3.2.2 3.3

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4 Elektronika pro ˇ r´ızen´ı a ovl´ ad´ an´ı modelu 4.1

Poˇzadavky na ˇr´ızen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii

20 22

27 28

4.1.1

Zmˇeˇrené parametry akˇcn´ıch ˇclen˚ u a senzor˚ u . . . . . . . . . . . .

28

4.2

Návrh vzhledu pˇredn´ıho ovládac´ıho panelu . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

4.3

Potˇrebná napájec´ı napˇet´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30

4.4

Blokové schéma elektroniky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

4.4.1

Poˇzadavky na jednotlivé funkˇcn´ı bloky . . . . . . . . . . . . . . .

33

Elektrické zapojen´ı jednotlivých funkˇcn´ıch blok˚ u. . . . . . . . . . . . . .

34

4.5.1

Optoelektronický oddˇelovaˇc s kompenzac´ı nuly a linearity pˇrevodu

35

4.5.2

A/D pˇrevodn´ık pro buzen´ı sedmisegmentových zobrazovaˇc˚ u. . . .

36

4.5.3

Logika ˇr´ızen´ı local/remote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

4.5.4

A/D pˇrevodn´ık pro sloupcové zobrazovaˇce . . . . . . . . . . . . .

37

4.5.5

Pˇrevodn´ık U/I pro ˇr´ızen´ı proporcionáln´ıho ventilu . . . . . . . . .

39

4.5.6

Elektronický sp´ınaˇc pro ˇr´ızen´ı diskrétn´ıho ventilu . . . . . . . . .

40

4.5.7

Pˇrevodn´ık U/U pro ˇr´ızen´ı zubového ˇcerpadla . . . . . . . . . . . .

40

4.5.8

Pˇrevodn´ık U/U pro ˇr´ızen´ı odstˇredivého ˇcerpadla . . . . . . . . . .

42

4.5.9

Obvody indikace napájen´ı a typu ˇr´ızen´ı . . . . . . . . . . . . . . .

43

4.5.10 Obvody ruˇcn´ıho ovládán´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

44

4.5.11 Napájec´ı zdroj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

44

4.5

5 Z´ avˇ er

47

Literatura

49

A Pouˇ zit´ y software

I

B Tvorba modelu v ˇ case

III

C Obsah pˇ riloˇ zen´ eho DVD

V

D Rozpoˇ cet projektu

VII

E V´ ykresov´ a dokumentace

IX

viii

Seznam pouˇ zit´ ych symbol˚ u Symbol

V´ yznam

Jednotka

g

gravitaˇcn´ı konstanta

m s−2

hC

výˇska hladiny ve stˇredn´ı nádrˇzi

m

hL

výˇska hladiny v levé nádrˇzi

m

hR

výˇska hladiny v pravé nádrˇzi

m

I

elektrický proud

A

S

pr˚ uˇrez podstav nádrˇz´ı

m2

SC

pr˚ uˇrez výtokového ventilu

m2

SL

pr˚ uˇrez vstupn´ıho potrub´ı z odstˇredivého ˇcerpadla

m2

SLC

pr˚ uˇrez ventilu levá-stˇredn´ı nádrˇz

m2

SRC

pr˚ uˇrez ventilu pravá-stˇredn´ı nádrˇz

m2

t

ˇcas

s

U

elektrické napˇet´ı

V

uL

napˇet´ı na odstˇredivém ˇcerpadle

V

uR

napˇet´ı na zubovém ˇcerpadle

V

vC

m´ıra otevˇren´ı výtokového ventilu

-

vLC

m´ıra otevˇren´ı ventilu levá-stˇredn´ı nádrˇz

-

vRC

m´ıra otevˇren´ı ventilu pravá-stˇredn´ı nádrˇz

-

ρ

hustota provozn´ı kapaliny

kg m−3

ix

x

Seznam obr´ azk˚ u 2.1

Principiáln´ı schéma systému vodn´ıho hospodáˇrstv´ı . . . . . . . . . . . . .

4

2.2

Simulinkové schéma pravé nádrˇze (rovnice (2.3)) . . . . . . . . . . . . . .

5

2.3

Zapojen´ı bloˇck˚ u zubového ˇcerpadla a odmocniny ze schématu na obr. 2.2

6

2.4

Simulinkový model systému vodn´ıho hospodáˇrstv´ı . . . . . . . . . . . . .

7

2.5

Simulinkové schéma modelu vodn´ıho hospodáˇrstv´ı (rovnice (2.1) aˇz (2.3))

7

2.6

Vnitˇrn´ı zapojen´ı bloˇcku PUMP L (odstˇredivé ˇcerpadlo) z obr. 2.5 . . . .

8

2.7

Virtuáln´ı model systému vodn´ıho hospodáˇrstv´ı . . . . . . . . . . . . . . .

9

2.8

Ikona Insert Box v programu V-Realm Builder . . . . . . . . . . . . . . .

9

2.9

Vlastnosti objektu – nastaven´ı vlastnosti Transparency . . . . . . . . . .

9

2.10 Okno programu V-Realm Builder s 3D scénou . . . . . . . . . . . . . . .

10

2.11 Bloˇcky To VR World a VR Sink v programu Simulink . . . . . . . . . . .

11

2.12 Vnitˇrn´ı zapojen´ı bloˇcku To VR World z obr. 2.11 . . . . . . . . . . . . .

11

2.13 Virtuáln´ı model z programu Solid Edge . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

2.14 Napouˇstˇen´ı levé nádrˇze odstˇredivým ˇcerpadlem . . . . . . . . . . . . . .

13

2.15 Napouˇstˇen´ı pravé nádrˇze zubovým ˇcerpadlem . . . . . . . . . . . . . . .

14

2.16 Vyrovnán´ı hladin v pravé a stˇredn´ı nádrˇzi . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

3.1

Hydrostatické ˇcidlo LMP 331 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

3.2

Ventily pouˇzité v modelu vodn´ıho hospodáˇrstv´ı . . . . . . . . . . . . . .

19

3.3

Odstˇredivé ˇcerpadlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

3.4

Porovnán´ı p˚ uvodn´ıho a nového modelu vodn´ıho hospodáˇrstv´ı . . . . . . .

21

3.5

Popisové pole sestavy vˇeˇze 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

3.6

Kusovn´ık sestavy vˇeˇze 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

3.7

Detail pˇripojen´ı ventil˚ u – stˇredn´ı vˇeˇz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

4.1

Schéma rozvrˇzen´ı pˇredn´ıho panelu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30

4.2

Blokové schéma elektroniky laboratorn´ıho modelu . . . . . . . . . . . . .

32

4.3

Schéma optoelektronického oddˇelovaˇce . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

xi

4.4

Schéma pˇrevodn´ıku pro buzen´ı sedmisegmentových zobrazovaˇc˚ u . . . . .

36

4.5

Schéma pˇrep´ınac´ıho obvodu local/remote . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

4.6

Schéma pˇrevodn´ıku pro sloupcové zobrazovaˇce . . . . . . . . . . . . . . .

38

4.7

Schéma pˇrevodn´ıku U/I pro ˇr´ızen´ı proporˇcn´ıho ventilu . . . . . . . . . .

39

4.8

Schéma elektronického sp´ınaˇce pro ˇr´ızen´ı diskrétn´ıho ventilu . . . . . . .

40

4.9

Schéma pˇrevodn´ıku pro ˇr´ızen´ı zubového ˇcerpadla

. . . . . . . . . . . . .

41

4.10 Statická charakteristika pˇrevodn´ıku pro ˇr´ızen´ı zubového ˇcerpadla . . . . .

41

4.11 Schéma pˇrevodn´ıku pro ˇr´ızen´ı odstˇredivého ˇcerpadla . . . . . . . . . . . .

42

4.12 Statická charakteristika pˇrevodn´ıku pro ˇr´ızen´ı odstˇredivého ˇcerpadla . . .

43

4.13 Schéma indikace napájen´ı a typu ˇr´ızen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

4.14 Schéma obvod˚ u ruˇcn´ıho ovládán´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

44

4.15 Schéma napájec´ıho zdroje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45

xii

Seznam tabulek D.1 Finanˇcn´ı rozpoˇcet projektu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

VII

D.2 Hodinový rozpoˇcet projektu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VIII

xiii

xiv

Kapitola 1 ´ Uvod Výuku ve ˇskoln´ıch laboratoˇr´ıch bez ovˇeˇren´ı teoretických poznatk˚ u pˇri praktických pokusech si dnes jiˇz asi nikdo nedovede ani pˇredstavit. Kvalitn´ı modely pro výuku modern´ı teorie ˇr´ızen´ı jsou stále, vzhledem ke své vysoké poˇrizovac´ı cenˇe, pro vˇetˇsinu ˇskol nedostupné. Na Vyˇsˇs´ı odborné ˇskole, Stˇredn´ı ˇskole, Centru odborné pˇr´ıpravy Sezimovo ´ ı právˇe jedna taková laboratoˇr vzniká. Tato laUst´ boratoˇr s názvem Laboratoˇr aplikované informa” tiky a fyziky“ by v budoucnu mˇela být vybavena nˇekolika modely pokrývaj´ıc´ı základn´ı fyzikáln´ı oblasti (elektˇrina, magnetismus, pˇr´ımoˇcarý pohyb, rotaˇcn´ı pohyb, proudˇen´ı kapaliny, proudˇen´ı plynu, pˇrenos tepla atd.) právˇe pro ovˇeˇren´ı teoretických poznatk˚ u pˇri praktických pokusech. Laboratoˇr by mˇela slouˇzit pro výuku nejen fyziky na stˇredn´ı ˇskole (pozorován´ı fyzikáln´ıch dˇej˚ u, konfrontace pozorován´ı s jednoduchými fyzikáln´ımi zákony), ale i pro výuku modelován´ı a ˇr´ızen´ı reálných model˚ u na vyˇsˇs´ı odborné ˇskole. Tato koncepce vycház´ı ze zkuˇsenost´ı vedouc´ıho této práce z´ıskaných mimo jiné v Laboratoˇri teorie automatického ˇr´ızen´ı (Roubal, J. et al., 2009). C´ılem této práce je navrhnout model systému vodn´ıho hospodáˇrstv´ı pro novou ˇskoln´ı Laboratoˇr aplikované informatiky a fyziky. Tento model sice pˇr´ımo v praxi vyuˇzit´ı nenajde, dokáˇze ale velice dobˇre simulovat ˇradu reálných dynamických systém˚ u zaloˇzených na práci s kapalinou. Mezi tyto systémy patˇr´ı napˇr´ıklad vodn´ı elektrárny, pˇreˇcerpávac´ı 1

´ KAPITOLA 1. UVOD

2

elektrárna Dlouhé Stránˇe nebo i tradiˇcn´ı vodojemy u vˇetˇsiny obc´ı a mˇest. Podle doporuˇcen´ı vedouc´ıho absolventské práce se jako základ modelu vzal jiˇz funguj´ıc´ı ˇ model na CVUT v Praze, Fakultˇe elektrotechnické, katedˇre ˇr´ıdic´ı techniky. Jeho autorem je Jiˇr´ı Hanzl´ık, který tento model navrhl ve své diplomové práci (Hanzl´ık, J., 2008). Stejnˇe jako v jeho pˇr´ıpadˇe i u nového modelu je jedn´ım z hlavn´ıch poˇzadavk˚ u jeho doba ustálen´ı v ˇrádu minut tak, aby mohl model slouˇzit pˇri výuce a práce s n´ım nebyla pˇr´ıliˇs zdlouhavá, a tud´ıˇz výukovˇe neproduktivn´ı. Dalˇs´ım z poˇzadavk˚ u bylo zvýˇsen´ı variability systému pro budouc´ı vyuˇzit´ı pˇri výuce. P˚ uvodn´ı model (Hanzl´ık, J., 2008) je sloˇzen z jednoho ˇcerpadla, dvou ventil˚ u a dvou nádrˇz´ı. Tato konfigurace pˇr´ıliˇsnou variabilitu výukových u ´ loh nenab´ız´ı, proto se tento model kompletnˇe pˇrepracoval za vyuˇzit´ı modern´ıch výpoˇcetn´ıch a simulaˇcn´ıch program˚ u a ve finále se rozhodlo model rozˇs´ıˇrit o dalˇs´ı ˇcerpadlo, ventil i nádrˇz. Vznikl tak model vodn´ıho hospodáˇrstv´ı, který v sobˇe kombinuje jak rychlý, tak i pomalý dynamický systém. Návrh modelu zaˇc´ıná jeho matematickým popisem, tvorbou simulinkového modelu a následnˇe i 3D virtuáln´ı reality pro ovˇeˇren´ı správné funkce simulinkového systému. Výpoˇcty a simulace jsou provedeny v prostˇred´ı Matlab/Simulink a 3D virtuáln´ı model je navrˇzen v prostˇred´ı Virtual Reality Toolbox. Následnˇe je navrˇzena výkresová dokumentace pro výrobu modelu z plexiskla. Jsou také vybrány senzory a akˇcn´ı ˇcleny pro poˇzadovanou funkci modelu. Nakonec je navrˇzena a zrealizována vhodná elektronika pro ruˇcn´ı a poˇc´ıtaˇcové ˇr´ızen´ı modelu. Struktura této práce, která je napsána v LATEX 2ε 1 , je následuj´ıc´ı. Kapitola 2 se vˇenuje teoretickému návrhu modelu systému vodn´ıho hospodáˇrstv´ı. Kapitola 3 se zabývá návrhem uspoˇrádán´ı laboratorn´ıho modelu a tvorbou technické dokumentace potˇrebné k jeho výrobˇe. Kapitola 4 popisuje elektroniku pro ˇr´ızen´ı a ovládán´ı laboratorn´ıho modelu. V pˇr´ıloze práce je ˇcasový harmonogram výroby tohoto modelu, pouˇzitý software, rozpoˇcet projektu a výkresová dokumentace. Dalˇs´ı materiály jsou na pˇriloˇzeném DVD.

1 A LT

EX 2ε je rozˇs´ıˇren´ı systému LATEX, coˇz je kolekce maker pro TEX. TEX je ochranná známka American Mathematical Society.

Kapitola 2 Model vodn´ıho hospod´ aˇ rstv´ı Neˇz bude pˇrikroˇceno k vlastn´ı výrobˇe laboratorn´ıho modelu vodn´ıho hospodáˇrstv´ı, je tˇreba provést teoretickou analýzu chován´ı tohoto systému, aby se pˇredeˇslo navrˇzen´ı nepouˇzitelného nebo nevhodného zaˇr´ızen´ı pro výuku (napˇr´ıklad pˇr´ıliˇs pomalý systém nebo naopak podobné chován´ı zdroj˚ u kapaliny atd.). Proto bude nejprve vytvoˇren v prostˇred´ı MATLAB/Simulink (Kupka, L., 2007) teoretický poˇc´ıtaˇcový model vycházej´ıc´ı z matematicko-fyzikáln´ıch rovnic (Roubal, J. et al., 2010) a bude provedena jeho analýza (ˇcasové odezvy výˇsek hladin v jednotlivých nádrˇz´ıch pro r˚ uzné kombinace vstupn´ıch veliˇcin), ze které bude vycházeno pˇri návrhu a tvorbˇe reálného laboratorn´ıho modelu (velikost nádrˇz´ı, jejich rozloˇzen´ı, výbˇer akˇcn´ıch ˇclen˚ u, výbˇer senzor˚ u a jejich osazen´ı atd.). Výsledkem této kapitoly vedle nalezených parametr˚ u reálného systému, ze kterých bude vycházet návrh konstrukce laboratorn´ıho modelu, je samotný simulinkový model systému vodn´ıho hospodáˇrstv´ı s virtuáln´ı realitou, který bude slouˇzit student˚ um a ˇzák˚ um pˇri výuce v laboratoˇri aplikované informatiky a fyziky. Model bude opatˇren maskou, která je uˇzivatelsky pˇr´ıjemná a umoˇzn ˇ uje jeho snadné ovládán´ı, coˇz je pro zaˇc´ınaj´ıc´ı studenty z hlediska motivace d˚ uleˇzité. V této kapitole je nejprve popsán matematicko-fyzikáln´ı model systému vodn´ıho hospodáˇrstv´ı, poté je podrobnˇe vysvˇetlena tvorba simulinkového modelu (pˇrepsán´ı matematicko-fyzikáln´ıch rovnic do simulinkového schématu) a tvorba virtuáln´ı reality. V závˇeru kapitoly je model analyzován pro r˚ uzné parametry (pr˚ uˇrezy nádrˇz´ı, výkony ˇcerpadel, svˇetlost ventil˚ u a zp˚ usob jejich ovládán´ı atd.). 3

´ RSTV ˇ Í KAPITOLA 2. MODEL VODNÍHO HOSPODA

4

2.1

Matematick´ y model vodn´ıho hospod´ aˇ rstv´ı

Matematický model systému vodn´ıho hospodáˇrstv´ı, který je odvozen z diplomové práce (Hanzl´ık, J., 2008), lze podle (Roubal, J. et al., 2010, kapitola 11 a 12) popsat diferenciáln´ımi rovnicemi s " # q 1 dhL(t) kL 2 −vLC(t)SLC 2g hL(t) − hC(t) + SL 2 = u (t) − ghL(t) , (2.1) dt S ρ L 1 dhC(t) = dt S

q

+vLC(t)SLC

q 2g hL(t) − hC(t) + vRC(t)SRC 2g hR(t) − hC(t) (2.2)

p l − vC(t)SC 2ghC(t) , l dhR(t) 1 = dt S

q

−vRC(t)SRC 2g hR(t) − hC(t) + kRuR(t) ,

(2.3)

kde hL, hC, hR [m] jsou výˇsky hladin v jednotlivých nádrˇz´ıch (levá, stˇredn´ı, pravá), vLC, vC, vRC [-] jsou m´ıry otevˇren´ı jednotlivých ventil˚ u (mezi levou a stˇredn´ı nádrˇz´ı, ze stˇredn´ı nádrˇze, mezi pravou a stˇredn´ı nádrˇz´ı), uL, uR [V] jsou napˇet´ı na ˇcerpadlech (levé odtˇredivé, pravé zubové), SLC, SC, SRC [m2 ] jsou pr˚ uˇrezy pˇr´ısluˇsných ventil˚ u, SL [m2 ] je pr˚ uˇrez vstupn´ıho potrub´ı z odstˇredivého ˇcerpadla, S [m2 ] je pr˚ uˇrez podstav nádrˇz´ı, ρ = 998 kg m−3 je hustota vody a g = 9,81 m s−2 je gravitaˇcn´ı konstanta. Následuj´ıc´ı obrázek znázorˇ nuje principiáln´ı schéma systému vodn´ıho hospodáˇrstv´ı vˇcetnˇe výˇse uvedeného znaˇcen´ı jednotlivých veliˇcin a konstant.

(a) pohled zpˇredu

(b) pohled shora

Obrázek 2.1: Principi´ aln´ı schéma systému vodn´ıho hospod´ aˇrstv´ı

´ MODEL VODNÍHO HOSPODA ´ RSTV ˇ Í 2.2. SIMULINKOVY

2.2

5

Simulinkov´ y model vodn´ıho hospod´ aˇ rstv´ı

V této ˇcásti bude vytvoˇren simulinkový model systému vodn´ıho hospodáˇrstv´ı reprezentovaný rovnicemi (2.1), (2.2) a (2.3). Simulinkový model je popis systému v prostˇred´ı programu MATLAB/Simulink (Kupka, L., 2007). Ve své podstatˇe jsou to matematické rovnice, ovˇsem vyjádˇrené schématickými bloky. Simulinkový model umoˇzn ˇ uje provádˇet simulace a analýzu chován´ı reálného systému. Výsledky simulac´ı lze znázornit pomoc´ı ˇcasových pr˚ ubˇeh˚ u jednotlivých veliˇcin simulovaného systému nebo pomoc´ı virtuáln´ı reality (Kupka, L., 2007). Detailnˇe bude nyn´ı vysvˇetlen pˇrepis rovnice (2.3) do schématu znázornˇeném na následuj´ıc´ım obrázku. Na rovnice (2.1) a (2.2) se aplikuje analogický postup (Kupka, L., 2007; Roubal, J. et al., 2010).

Obrázek 2.2: Simulinkové schéma pravé n´ adrˇze (rovnice (2.3))

Nejprve se do schématu vloˇz´ı integrátor pˇredstavuj´ıc´ı kapacitu pravé nádrˇze a oznaˇc´ı se hR(t), viz obr. 2.2. Jeho vstupem je zmˇena hladiny pravé nádrˇze (derivace h˙ R(t)) a výstupem je aktuáln´ı výˇska hladiny hR(t). Uvnitˇr integrátoru lze nastavit rozsah výˇsky hladiny v nádrˇzi v intervalu h0, 0,66i m a také poˇcáteˇcn´ı podm´ınka pro výˇsku hladiny v nádrˇzi hR(0). Dále se realizuje schéma tak, jak je zapsaná rovnice (2.3). Derivace výˇsky hladiny se rovná

1 S

krát ..., coˇz ve schématu znázorˇ nuje bloˇcek Gain (troj´ uheln´ıˇcek), do

kterého se nastav´ı konstanta Za konstantou

1 S

1 S

.

je v rovnici (2.3) závorka, ve které se sˇc´ıtá respektive odeˇc´ıtá. To je

ve schématu realizováno bloˇckem Sum (koleˇcko), u kterého lze nastavit, které vstupy jsou s plusem a které s m´ınusem (bloˇcek Sum umoˇzn ˇ uje pˇridat dalˇs´ı vstupy, pˇri vˇetˇs´ım poˇctu vstup˚ u je ale vhodnˇejˇs´ı pˇrepnout koleˇcko na obdéln´ıˇcek). Na oba tyto vstupy je pˇriveden signál podle rovnice (2.3). Na záporný vstup se pˇrivede signál z bloˇcku Dot Product,


6

který realizuje násoben´ı dvou signál˚ u. V tomto pˇr´ıpadˇ asob´ıc´ıho bloˇcku q e je vstupem n´ objemový pr˚ utok mezi pravou a stˇredn´ı nádrˇz´ı SRC 2g hR(t) − hC(t) a m´ıra otevˇren´ı odpov´ıdaj´ıc´ıho ventilu vRC(t). Bloˇcek Saturation omez´ı moˇznost otevˇren´ı ventilu na interval h0, 1i. Objemový pr˚ utok mezi pravou a stˇredn´ı nádrˇz´ı je roven souˇcinu konstanty SRC (ve schématu troj´ uheln´ıˇcek) a odmocniny (bloˇcek Math Function – ˇctvereˇcek sqrt) z výrazu 2g krát (ve schématu troj´ uheln´ıˇcek) rozd´ıl hladin hR(t) − hC(t) realizovaný bloˇckem Sum. Vstupem tohoto bloˇcku jsou výˇsky hladin hR(t) a hC(t), které jsou na výstupech pˇr´ısluˇsných integrátor˚ u. Výˇska hladiny je v metrech a pro snaˇzˇs´ı odeˇcten´ı hodnoty veliˇciny z grafu je výstup násoben konstantou 100 pro pˇrevod na centimetry. Druhým vstupem sˇc´ıtac´ıho ˇclenu pˇred integrátorem je objemový pr˚ utok generovaný zubovým ˇcerpadlem kRuR(t). Ve schématu je ˇcerpadlo zastoupeno bloˇckem Pump R, jehoˇz vnitˇrn´ı zapojen´ı zahrnuj´ıc´ı vstupn´ı necitlivost ˇcerpadla v rozsahu h0, 2iV modelovanou bloˇckem Dead Zone a rozsah vstupu (saturaci) v rozsahu h0, 12iV je na obr. 2.3(a). Schéma zubového ˇcerpadla je pˇrevzato z (Roubal, J. et al., 2010). V rovnici (2.3) se vyskytuje odmocnina z rozd´ılu hladin. Nyn´ı je tˇreba jeˇstˇe upozornit na jistý detail. Tento rozd´ıl m˚ uˇze být jak kladný tak záporný, ale odmocnina je definována jen pro kladná ˇc´ısla. Proto je nutné tento problém oˇsetˇrit pomoc´ı funkce signum, jak je znázornˇeno ve schématu na obr. 2.3(b), které pˇredstavuje vnitˇrn´ı zapojen´ı bloˇcku sqrt ve schématu na obr. 2.2.

(a) zubové ˇcerpadlo

(b) odmocnina

Obrázek 2.3: Zapojen´ı bloˇck˚ u zubového ˇcerpadla a odmocniny ze schématu na obr. 2.2

Rovnice (2.1) a (2.2) jsou pˇrevedeny do schématu analogickým postupem. Výsledné simulinkové schéma systému vodn´ıho hospodáˇrstv´ı je znázornˇeno na následuj´ıc´ım obrázku. Schéma obsahuje pˇet vstup˚ u (napˇet´ı na obou ˇcerpadlech a m´ıry otevˇren´ı tˇr´ı ventil˚ u) a tˇri výstupy (výˇsky hladin v nádrˇz´ıch). Vnitˇrn´ı zapojen´ı celkovéhé modelu je na obr. 2.5. Pro pˇrehlednost jsou vstupy obarveny ˇcervenˇe a výstupy modˇre.


7

ul [V] hl [cm] hl

ROTARY PUMP vlc [-] VALVE L vc [-]

hc [cm] hc

VALVE C

hl, hc, hr [cm] vrc [-]

VALVE R

hr [cm] hr ur [V]

GEAR PUMP 3 COUPLED TANKS + 2 PUMPS

Obrázek 2.4: Simulinkov´ y model systému vodn´ıho hospod´ aˇrstv´ı

Obrázek 2.5: Simulinkové schéma modelu vodn´ıho hospod´ aˇrstv´ı (rovnice (2.1) aˇz (2.3))


8

Obsah bloˇcku odstˇredivého ˇcerpadla ukazuje obr. 2.6. Bloˇckem Dead Zone se nastavuje u ˇcerpadel pásmo necitlivosti – jeho poˇcátek a konec. Pokud se tedy napˇr´ıklad odstˇredivé ˇcerpadlo rozbˇehne aˇz pˇri dosaˇzen´ı napájec´ıho napˇet´ı u = 3,73 V, nastav´ıme poˇcátek na 0 V a konec na 3,73 V. Bloˇcek Saturation oˇrezává vstupn´ı signál, pokud jeho velikost dosáhne hodnoty mimo nastavený interval popsaný minimáln´ı a maximáln´ı hodnotou v parametrech tohoto bloˇcku. U odstˇredivého ˇcerpadla je saturace nastavena v intervalu h0, 20iV. Hodnoty promˇenných uloff a hloff byly pouˇzity z (Roubal, J. et al., 2010).

Obrázek 2.6: Vnitˇrn´ı zapojen´ı bloˇcku PUMP L (odstˇredivé ˇcerpadlo) z obr. 2.5

2.2.1

Virtu´ aln´ı model vodn´ıho hospod´ aˇ rstv´ı

V tomto odstavci je popsána tvorba virtuáln´ıho modelu vodn´ıho hospodáˇrstv´ı v programu V-Realm Builder vˇcetnˇe vˇsech nastaven´ı a pˇripojen´ı k simulinkovému modelu. Kliknut´ım v tomto programu na ikonku New se vytvoˇr´ı nová scéna. Scéna je prostor, kam lze um´ıstit komponenty modelu a nastavit ji vhodné pozad´ı. Do scény je moˇzné pˇridávat libovolné tvary, kterými se mohou vytvoˇrit odpov´ıdaj´ıc´ı komponenty modelu systému vodn´ıho hospodáˇrstv´ı. V dalˇs´ıch odstavc´ıch je popsán základn´ı princip tvorby tohoto virtuáln´ıho modelu, který je znázornˇen na obr. 2.7. Zaˇc´ıt lze napˇr´ıklad od spodn´ıho zásobn´ıku kapaliny, který je nejvˇetˇs´ı a tvoˇr´ı tak celý základ virtuáln´ıho modelu. Kliknut´ım na Insert Box (viz obr. 2.8) se vloˇz´ı komponenta kvádr. Nová komponenta se vloˇz´ı automaticky pod názvem Transform, je vhodné ji proto vˇzdy pˇrejmenovat tak, aby název vystihoval pouˇzit´ı komponenty v celkovém modelu.


9

Obrázek 2.7: Virtuáln´ı model systému vodn´ıho hospodáˇrstv´ı

V levé ˇcásti programu jsou záloˇzky s vlastnostmi jednotlivých komponent, viz obr. 2.10. ´ Editac´ı volby Size lze nastavit poˇzadovanou velikost. Uprava volby DiffuseColor nastav´ı správnou barvu. Tato komponenta zastupuj´ıc´ı zásobn´ık bude tedy um´ıstˇena n´ıˇze neˇz ostatn´ı a budou z n´ı vycházet komponenty pˇredstavuj´ıc´ı potrub´ı do ˇcerpadel a potrub´ı z odtokového ventilu.

Obrázek 2.8: Ikona Insert Box v programu V-Realm Builder

Insert Cylinder dovoluje vloˇzit válce, které budou pˇredstavovat potrub´ı do ˇcerpadel a potrub´ı do výtokového ventilu. Volba Transparency dovoluje nastavit pr˚ uhlednost prvk˚ u tak, aby se do potrub´ı daly vloˇzit vrtulky simuluj´ıc´ı chod ˇcerpadel a otevˇren´ı jednotlivých ventil˚ u.

Obrázek 2.9: Vlastnosti objektu – nastaven´ı vlastnosti Transparency

10

´ RSTV ˇ Í KAPITOLA 2. MODEL VODNÍHO HOSPODA Kliknut´ım na Insert Extrusion se vloˇz´ı vrtulky pˇredstavuj´ıc´ı ˇcerpadla. Dvojklik-

nut´ım na volbu Extrusion se otevˇre editor vzhledu prvku. Zde lze nastavit pˇresný vzhled vrtulky kresbou, nastavit lze i osu otáˇcen´ı. Analogicky se vloˇz´ı i potrub´ı s vrtulkou pˇredstavuj´ıc´ı výtokový ventil. Dalˇs´ı komponenty modelu jsou vˇeˇze s regulovanou výˇskou hladiny kapaliny. Vˇeˇze se pˇridaj´ı kliknut´ım na volbu Insert Box. Budou m´ıt ˇcásteˇcnou pr˚ uhlednost a budou obsahovat vnoˇrené prvky – objemy kapaliny. Objemy kapaliny budou dalˇs´ı Boxy, které budou m´ıt nastavenu modrou barvu a budou m´ıt identickou velikost jako vˇeˇze. Tyto Boxy se mus´ı svázat s p˚ uvodn´ımi vˇeˇzemi pˇres poloˇzku Children. V posledn´ım kroku se pˇridá jeˇstˇe potrub´ı od ˇcerpadel do krajn´ıch zásobn´ık˚ u a dále od zásobn´ık˚ u k ventil˚ um, toto potrub´ı se opˇet pˇridá kliknut´ım na Insert Cylinder. T´ımto jsou dokonˇceny jednotlivé komponenty 3D scény, pokud je poskládáme do prostoru tak, aby toto um´ıstˇen´ı odpov´ıdalo reálnému modelu, doc´ılili jsme virtuáln´ı reality systému vodn´ıho hospodáˇrstv´ı. Pro budouc´ı prezentaci 3D scény je vhodné nastavit i pˇreddefinovanou pozici pohledu na model, tzv. Viewpoint. Tˇechto pohledových pozic se m˚ uˇze nastavit libovolné mnoˇzstv´ı, obvykle ale postaˇc´ı pohled zpˇredu, shora a zeˇsikma. Celý model virtuáln´ı reality se uloˇz´ı pod vhodným názvem s pˇr´ıponou *.VRL do sloˇzky, ve které je uloˇzen simulinkový model.

Obrázek 2.10: Okno programu V-Realm Builder s 3D scénou


11

K simulinkovému modelu se pˇripoj´ı virtuáln´ı realita pomoc´ı bloˇcku Virtual Reality Toolboxu VR Signal Expander a dále blokem VR Sink. Ve vlastnostech tohoto bloku, které se vyvolaj´ı dvojitým kliknut´ım na tento blok, se kliknut´ım na Browse zvol´ı odpov´ıdaj´ıc´ı virtuáln´ı model. Po naˇcten´ı modelu se napravo objev´ı stromová struktura, kde se nastav´ı, jaké parametry modelu se budou mˇenit v závislosti na zmˇenˇe vstupn´ıch veliˇcin bloku VR Sink. hL(t) in

hL(t) out

h_t_L.scale

hC(t) in

hC(t) out

h_t_C.scale

hR(t) in

hR(t) out

h_t_R.scale

PUMP L

PUMP L out

PUMP_L.rotation

PUMP R

PUMP R out

PUMP_R.rotation

ventil L_C

ventil L_C out

ventil_L_C.rotation

ventil C ventil R_C

ventil C out ventil R_C out

To VR World

ventil_C.rotation ventil_R_C.rotation VR Sink

Obrázek 2.11: Bloˇcky To VR World a VR Sink v programu Simulink

Obrázek 2.12: Vnitˇrn´ı zapojen´ı bloˇcku To VR World z obr. 2.11


12

Vnitˇrn´ı zapojen´ı bloˇcku To VR World uvedené na obr. 2.12 obsahuje pˇripojen´ı vstupn´ıch veliˇcin do prvk˚ u VR Signal Expander. U model˚ u vrtulek simuluj´ıc´ı protékán´ı kapaliny nebo chod ˇcerpadla, kde je potˇreba oˇsetˇrit smˇer nebo rychlost otáˇcen´ı vrtulek, se pˇripoj´ı na vstup podle potˇreby jeˇstˇe prvky Abs nebo Gain. Kombinac´ı prvk˚ u Abs a Gain s hodnotou −1 se zabezpeˇc´ı otáˇcen´ı vrtulky v poˇzadovaném smˇeru. Pˇridán´ım pouze prvku Gain se m˚ uˇze ovlivnit rychlost otáˇcen´ı dané vrtulky. Bloˇcek Integrator pˇrevád´ı (integruje) otáˇcky na u ´ hel natoˇcen´ı. Pro pˇr´ıpadnou kvalitnˇejˇs´ı prezentaci ˇcinnosti virtuáln´ıho modelu se m˚ uˇze pouˇz´ıt také virtuáln´ı model exportovaný pˇr´ımo z programu Solid Edge, ve kterém je v následuj´ıc´ı kapitole proveden návrh reálného modelu. Tento virtuáln´ı model je souˇcást´ı pˇriloˇzeného DVD.

Obrázek 2.13: Virtu´ aln´ı model z programu Solid Edge

´ ´ ´ RSTV ˇ Í 2.3. ANALYZA SIMULINKOVEHO MODELU VODNÍHO HOSPODA

2.3

13

Anal´ yza simulinkov´ eho modelu vodn´ıho hospod´ aˇ rstv´ı

V této kapitole bude provedeno nˇekolik experiment˚ u se simulinkovým modelem a následná diskuse kvalitativn´ı správnosti odezev. Nejprve bude provedena analýza zjiˇstˇen´ı ˇcasu potˇrebného k napuˇstˇen´ı krajn´ıch nádrˇz´ı jednotlivými ˇcerpadly pˇri uzavˇren´ı vˇsech ventil˚ u tak, jak to ukazuj´ı odezvy na obr. 2.14 a obr. 2.15. Poté bude simulováno pˇrepouˇstˇen´ı kapaliny z jedné nádrˇze do druhé pro zjiˇstˇen´ı rychlosti pr˚ utoku mezi nádrˇzemi. Bylo by totiˇz absolutnˇe nevhodné, aby pˇrepouˇstˇen´ı trvalo pˇr´ıliˇs dlouho nebo naopak pˇr´ıliˇs krátce. V ˇcase t = 1 s se zapne odstˇredivé ˇcerpadlo, do té doby z levé nádrˇze vytéká kapalina. To je zp˚ usobeno t´ım, ˇze nulová hladina odpov´ıdá um´ıstˇen´ı ventil˚ u, kdeˇzto pˇr´ıvod od ˇcerpadla se nacház´ı n´ıˇze z konstrukˇcn´ıch d˚ uvod˚ u. V tomto ˇcase se zaˇcne levá nádrˇz . plnit kapalinou aˇz v ˇcase t = 11,5 s dojde k pˇreteˇcen´ı kapaliny bezpeˇcnostn´ım pˇrepadem v nádrˇzi. Z grafu lze vyˇc´ıst, ˇze odezva odpov´ıdá fyzikáln´ımu principu funkce odstˇredivého ˇcerpadla. Kˇrivka odezvy na intervalu, kde funkce roste, nen´ı pˇr´ımka ale vykazuje kvadratický u ´ tlum nárustu hodnoty funkce, coˇz odpov´ıdá rovnici (2.1).

70 20 60 50 15

hL [cm]

uL [V]

40 10

30 20

5 10 0 0 0

2

4

6

8

10

12

t [s]

(a) vstupn´ı signál odstˇredivého ˇcerpadla

−10

0

2

4

6

8

10

12

t [s]

(b) odezva hladiny v levé n´ adrˇzi

Obrázek 2.14: Napouˇstˇen´ı levé n´ adrˇze odstˇrediv´ ym ˇcerpadlem

V ˇcase t = 10 s se zapne zubové ˇcerpadlo a v levé nádrˇzi zaˇcne lineárnˇe stoupat . výˇska hladiny aˇz v ˇcase t = 104 s dojde k naplnˇen´ı této nádrˇze a k odtoku kapaliny bezpeˇcnostn´ım pˇrepadem. Lineárn´ı nár˚ ust výˇsky hladiny na intervalu, kde funkˇcn´ı hodnoty odezvy rostou, odpov´ıdaj´ı rovnici (2.3).


14 9

70

8

60

7 50

6

hR [cm]

uR [V]

5 4 3

30 20

2 1

10

0 −1

40

0 0

20

40

60

80

100

120

0

20

40

t [s]

60

80

100

120

t [s]

(a) vstupn´ı signál zubového ˇcerpadla

(b) odezva hladiny v pravé n´ adrˇzi

Obrázek 2.15: Napouˇstˇen´ı pravé n´ adrˇze zubov´ ym ˇcerpadlem

Z výˇse uvedených simulac´ı lze vypozorovat relativnˇe velký rozd´ıl v dobˇe naˇcerpán´ı nádrˇze jednotlivými ˇcerpadly, coˇz bylo poˇzadováno v zadán´ı této práce. Dalˇs´ı u ´ lohou je analýza chován´ı výˇsky hladin v pravé a prostˇredn´ı nádrˇzi s poˇcáteˇcn´ım stavem prostˇredn´ı nádrˇze hC = 60 cm, pˇri uzavˇren´ı ventilu mezi pravou a prostˇredn´ı nádrˇz´ı a vypnut´ı zubového ˇcerpadla.V ˇcase t = 10 s se otevˇre prostˇredn´ı ventil a dojde k odtoku . kapaliny z prostˇredn´ı nádrˇze do pravé nádrˇze aˇz se hladiny v obou nádrˇz´ıch v ˇcase t = 45 s vyrovnaj´ı. 1.5

70 h (t) C

h (t)

60

R

50

hR + hC [cm]

vRC [−]

1

0.5

0

40 30 20 10 0

−0.5

0

10

20

30

40

50

t [s]

(a) m´ıra otevˇren´ı pravého ventilu

60

−10

0

10

20

30

40

50

60

t [s]

(b) odezva hladin v pravé a stˇredn´ı n´ adrˇzi

Obrázek 2.16: Vyrovnán´ı hladin v pravé a stˇredn´ı n´ adrˇzi

Výˇse uvedené obrázky opˇet potvrzuj´ı kvalitativn´ı správnost modelu. Byly provedeny dalˇs´ı experimenty se simulinkovým modelem. Z d˚ uvodu délky této práce tu jiˇz nejsou uvedeny. Simulinkový model vodn´ıho hospodáˇrstv´ı je na pˇriloˇzeném DVD a je moˇzné tyto experimenty opˇetovnˇe provést. Vˇsechny experimenty ukázaly, ˇze simulinkový model od-

´ ´ ´ RSTV ˇ Í 2.3. ANALYZA SIMULINKOVEHO MODELU VODNÍHO HOSPODA

15

pov´ıdá matematicko-fyzikáln´ımu popisu systému vodn´ıho hospodáˇrstv´ı, který je uveden v kapitole 2.1. Provedené simulace pomohly urˇcit referenˇcn´ı hodnoty jednotlivých prvk˚ u budouc´ıho modelu tak, aby vznikaj´ıc´ı model splnil poˇzadavky pro jeho pouˇzit´ı pˇri výuce v nové laboratoˇri. Mezi tyto hodnoty patˇr´ı pˇredevˇs´ım plochy podstav jednotlivých nádrˇz´ı, svˇetlosti ventil˚ u, výkony ˇcerpadel atd. Tyto parametry zásadn´ım zp˚ usobem ovlivˇ nuj´ı chován´ı modelu pˇri jeho reálném pouˇzit´ı. Urˇcuj´ı napˇr´ıklad dobu naˇcerpán´ı jednotlivých nádrˇz´ı, dobu potˇrebnou k poklesu hladiny o urˇcitou hodnotu pˇri vypouˇstˇen´ı nádrˇz´ı skrze otevˇrené ventily atd. Uvedené simulace jiˇz dopˇredu ukazuj´ı, jaké u ´ lohy z oblasti modern´ı teorie ˇr´ızen´ı budou moci být v pˇrijatelném ˇcase provádˇeny a jaké u ´ lohy budou v´ıce ˇci ménˇe ˇcasovˇe nároˇcné, stejnˇe tak i jaké parametry modelu budou v budoucnu trápit studenty pˇri ˇreˇsen´ı zadaných u ´ loh (napˇr. poˇcáteˇcn´ı necitlivosti ˇcerpadel, nelineárn´ı ˇcerpán´ı objemu kapaliny odstˇredivým ˇcerpadlem pˇri mˇen´ıc´ı se výˇsce hladiny nádrˇze a konstantn´ım vstupn´ım napˇet´ı atp.). Navrˇzené hodnoty jednotlivých komponent se následnˇe vyuˇzily pˇri samotném návrhu konstrukce skuteˇcného modelu a pˇri výbˇeru senzor˚ u a akˇcn´ıch prvk˚ u.

16


Kapitola 3 N´ avrh konstrukce re´ aln´ eho modelu Návrh konstrukce skuteˇcného laboratorn´ıho modelu systému vodn´ıho hospodáˇrstv´ı vycház´ı z diplomové práce (Hanzl´ık, J., 2008) a ze simulac´ı teoretického matematicko-fyzikáln´ıho modelu provedených v prostˇred´ı MATLAB/Simulink v kapitole 2.3. Aby nový model splnil poˇzadavky zadán´ı absolventské práce, doˇsel významných zmˇen. Tyto zmˇeny jsou pˇredevˇs´ım v konstrukˇcn´ı ˇcásti. Model byl rozˇs´ıˇren o jednu nádrˇz, proporcionáln´ı ventil a zubové ˇcerpadlo. Osazen´ı modelu v podstatˇe respektuje kladné hodnocen´ı p˚ uvodn´ıho modelu (Hanzl´ık, J., 2008) a pˇreb´ırá tak vˇetˇsinu prvk˚ u. Protoˇze p˚ uvodn´ı model obsahoval rychlý zdroj kapaliny, bylo druhým zdrojem zvoleno zubové ˇcerpadlo, které je naopak zdrojem pomalým. Dalˇs´ı otázkou bylo, zda jako tˇret´ı ventil pouˇz´ıt ventil dvoustavový ˇci proporcionáln´ı. I pˇres vyˇsˇs´ı cenu proporcionáln´ıho ventilu byl pouˇzit tento z d˚ uvodu vˇetˇs´ı variability výukových u ´ loh realizovaných na tomto laboratorn´ım pˇr´ıpravku. V následuj´ıc´ıch ˇcástech bude popsáno sloˇzen´ı modelu vodn´ıho hospodáˇrstv´ı z jednotlivých prvk˚ u (senzory, akˇcn´ı ˇcleny, plexisklo). Elektrické prvky byly ˇrádnˇe promˇeˇreny a jejich ovˇeˇrené parametry jsou souˇcást´ı této kapitoly. Kapitola dále obsahuje popis výkresové dokumentace, jej´ı strukturu a poznatky z lepen´ı modelu. Kompletn´ı výkresová dokumentace je v pˇr´ıloze této práce a také na pˇriloˇzeném DVD, na kterém je téˇz doporuˇcený postup lepen´ı modelu, celkový rozpoˇcet projektu, manuály senzor˚ u a akˇcn´ıch prvk˚ u, jejich faktury, objednávky a fotodokumentace. 17

´ ´ EHO ´ KAPITOLA 3. NAVRH KONSTRUKCE REALN MODELU

18

3.1

Senzory

Model obsahuje tˇri sn´ımaˇce výˇsky hladiny v nádrˇz´ıch. Jelikoˇz se navazuje na jiˇz existuj´ıc´ı model a v nˇem se velice dobˇre osvˇedˇcil sn´ımaˇc od firmy Smaris LMP 331, pouˇz´ıvá se i v tomto modelu. Jak p´ıˇse výrobce (Smaris, 2005), tento sn´ımaˇc je urˇcen ke kontinuáln´ımu mˇeˇren´ı výˇsky hladiny kapalin, kal˚ u, suspenz´ı nebo emuls´ı sluˇcitelných s nerezovou ocel´ı tˇr. 17.3481. Pracuje na principu mˇeˇren´ı hydrostatického tlaku vodn´ıho sloupce. Tento tlak je pˇrenáˇsen prostˇrednictv´ım náplnˇe inertn´ıho oleje na mˇeˇr´ıc´ı polovodiˇcový ˇcip. Na tomto ˇcipu je polovodiˇcovou technologi´ı vytvoˇren tenzometrický m˚ ustek jehoˇz výstupn´ı signál je teplotnˇe kompenzován a upraven na standardn´ı elektrický výstupn´ı signál. Do soustavy se senzor pˇripojuje pomoc´ı závitu G3/4. Vodotˇesné pˇripojen´ı zajiˇst’uje tˇesn´ıc´ı o-krouˇzek. Sn´ımaˇc je pˇripojen do elektronické ˇcásti modelu dvˇema vodiˇci s napˇet’ovým výstupem v intervalu h0, 10iV, který odpov´ıdá výˇsce hladiny h0, 1im. Fotografie sn´ımaˇce je na následuj´ıc´ım obrázku.

Obrázek 3.1: Hydrostatické ˇcidlo LMP 331

Fotografie senzoru na obr. 3.1 je pˇrevzata z manuálu firmy (Smaris, 2005). Parametry senzor˚ u pouˇzitých v modelu vodn´ıho hospodáˇrstv´ı jsou uvedeny v textu nad obrázkem, fotografie na obr. 3.1 je pouze ilustrativn´ı. 1

´vra, P., Konstrukˇcn´ı ocel korozivzdorn´ a s legovac´ımi prvky Cr-Ni-Mo-Ti (Leinveber, J. a Va

2008).

ˇ Í CLENY ˇ 3.2. AKCN

3.2

19

Akˇ cn´ı ˇ cleny

Volba akˇcn´ıch ˇclen˚ u byla podobnˇe jako u senzor˚ u výˇse ovlivnˇena jiˇz existuj´ıc´ım modelem. Model reprezentuje uzavˇrenou soustavu zásobn´ık˚ u kapaliny. Ke své funkci potˇrebuje proto kapalinu ˇcerpat do svislých zásobn´ık˚ u, tzv. vˇeˇz´ı, a dále ji pˇrepouˇstˇet at’ uˇz mezi jednotlivými vˇeˇzemi nebo zpˇet do hlavn´ıho zásobn´ıku, ze kterého byla do soustavy naˇcerpána. Model tedy nutnˇe mus´ı obsahovat ˇcerpadla kapaliny a elektricky ovládané ventily.

3.2.1

Ventily

V laboratorn´ım modelu jsou pouˇzity elektricky ovládané ventily od firmy Asco Joucomatic. Bylo zvoleno pouˇzit´ı dvou ventil˚ u s proporˇcn´ı moˇznost´ı regulace velikosti pr˚ utoku kapaliny a dále jeden ventil s moˇznosti pouze pr˚ utok dovolit nebo jej zcela zastavit. Jako proporˇcn´ı ventil byl zvolen typ SCG202A057V. Tento ventil je v klidovém stavu uzavˇren, pˇripojovac´ı závit má G1/4, pr˚ umˇer stˇerbiny je 7,1 mm, hystereze je pod 5% a citlivost má pod 2%. Má dále bronzové tˇelo a je ovládán 24 V ss c´ıvkou. Vnitˇrn´ı odpor c´ıvky je 32 Ω. Otev´ırán´ı ventilu je vhodné realizovat k tomu pˇr´ımo urˇcenou ˇr´ıdic´ı jednotkou. Jej´ı cena je ovˇsem realitivnˇe vysoká, proto je v tomto pˇr´ıpadˇe otevˇren´ı ventilu ˇr´ızeno alternativnˇe velikost´ı proudu c´ıvky I ∈ h350, 600i mA. Dvoustavový, nˇekdy také digitáln´ı, ventil byl pouˇzit typ SCG262C013, který je v klidovém stavu zavˇrený, pˇripojovac´ı závit je G1/4, velikost stˇerbiny je 5,6 mm, má bronzové tˇelo a je ovládán 24 V ss c´ıvkou pˇri proudovém odbˇeru I = 0,3 A. Fotografie ventil˚ u je na následuj´ıc´ım obrázku.

(a) proporˇcn´ı ventil

(b) dvoustavov´ y ventil

Obrázek 3.2: Ventily pouˇzité v modelu vodn´ıho hospod´ aˇrstv´ı


20

3.2.2

ˇ Cerpadla

Model ke své funkci potˇrebuje dvˇe ˇcerpadla. Pro vˇetˇs´ı variabilitu u ´ loh ˇr´ızen´ı na laboratorn´ım modelu bylo rozhodnuto pouˇz´ıt z principu funkce kaˇzdé ˇcerpadlo jiné. Jedno ˇcerpadlo je odstˇredivé, druhé zubové. Odstˇredivé ˇcerpadlo je z principu funkce zdrojem tlaku, ˇcerpadlo zubové je zdrojem toku. Tato konfigurace pˇrináˇs´ı zaj´ımavé regulaˇcn´ı moˇznosti a u ´ lohy. Odstˇredivé ˇcerpadlo bude tlaˇcit kapalinu vzh˚ uru jen do urˇcitého stavu, kdy dojde k vyrovnán´ı tlaku vodn´ıho sloupce a tlaku generovaného odstˇredivým ˇcerpadlem, bude zároveˇ n rychlým zdrojem nového objemu kapaliny. Naproti tomu zubové ˇcerpadlo dodává konstantn´ı mnoˇzstv´ı ˇcerpané kapaliny bez ohledu na výˇsku hladiny v dané nádrˇzi. Oproti ˇcerpadlu odstˇredivému bude ale asi 10 krát pomalejˇs´ım zdrojem kapaliny do nádrˇz´ı. Odstˇredivé ˇcerpadlo je pouˇzito stejné jako je v p˚ uvodn´ım modelu. Jedná se o ˇcerpadlo od firmy Johnson Pump, typ CM10P7-1. Jak je uvedeno v (Hanzl´ık, J., 2008), toto ˇ ˇcerpadlo má oddˇelen´ı obˇeˇzného kola a motoru magnetickou spojkou. Cerpadlo je osazeno stejnosmˇerným motorem, jehoˇz moment se na obˇeˇzné kolo pˇrenáˇs´ı pomoc´ı dvou magnet˚ u. Jeden je pevnˇe pˇripevnˇen k obˇeˇznému kolu. Magnetické pole pak pˇres plastický kryt motoru otáˇc´ı magnetem obˇeˇzného kola. Výhodou pro laboratorn´ı pouˇzit´ı je skuteˇcnost, ˇze ˇcerpadlo umoˇzn ˇ uje suchý chod po dobu max. 30 minut a je odolné v˚ uˇci zaseknut´ı lopatek, tud´ıˇz nedojde ke spálen´ı motoru. Nemalou výhodou tohoto ˇcerpadla je také jeho tichý chod oproti ˇcerpadl˚ um zubovým. Za nevýhodu lze povaˇzovat nelineárn´ı závislost ˇ ustálené výˇsky hladiny na napˇet´ı ˇcerpadla. Cerpadlo je napájeno 24 V ss, pˇri kterém odeb´ırá v tomto konkrétn´ım pouˇzit´ı proud 0,54 A.

Obrázek 3.3: Odstˇredivé ˇcerpadlo

´ KONSTRUKCE MODELU 3.3. MECHANICKA

21

Zubové ˇcerpadlo bylo zvoleno, vzhledem k tak jiˇz finanˇcnˇe nároˇcnému rozpoˇctu projektu a k obecnˇe niˇzˇs´ı dostupnosti malých zubových ˇcerpadel na trhu, klasické zubové ˇ ˇcerpadélko ostˇrikovaˇc˚ u z osobn´ıch voz˚ u Skoda Favorit. Nespornou výhodou tohoto ˇreˇsen´ı je velice n´ızká poˇrizovac´ı cena. Nevýhodou je relativnˇe vysoká hluˇcnost ˇcerpadla za chodu a v neposledn´ı ˇradˇe i pˇredpokládaná n´ızká ˇzivotnost ˇcerpadla, jelikoˇz toto ˇcerpadlo bylo konstruováno pro krátkodobý bˇeh. Pˇri výuce se dá pˇredpokládat, ˇze toto ˇcerpadlo bude dlouhodobˇe pˇretˇeˇzováno a vlivem u ´ navy loˇzisek bude muset být pravidelnˇe vymˇen ˇ ováno kus za kus. Toto ˇcerpadlo odeb´ırá v tomto konkrétn´ım pouˇzit´ı pˇri napájen´ı 12 V ss oproti ˇcerpadlu odstˇredivému relativnˇe vysoký proud 3,4 A. Proto bude ˇr´ızeno i vzhledem k hluˇcnosti a opotˇrebovatelnosti v rozsahu h0, 8i V, kdy je max. odbˇer 2 A.

3.3

Mechanick´ a konstrukce modelu

Mechanická konstrukce modelu vycház´ı opˇet z diplomové práce (Hanzl´ık, J., 2008). Vzhledem k pˇridán´ı dalˇs´ı vˇeˇze s regulovanou hladinou, ventilu i ˇcerpadla je celý model o nˇeco zvˇetˇsen. Samotné rozloˇzen´ı z˚ ustalo podobné, nicménˇe um´ıstˇen´ı nˇekterých prvk˚ u systému se zmˇenilo. Porovnán´ı modelu Jiˇr´ıho Hanzl´ıka a nového modelu ilustruje obr. 3.4.

(a) p˚ uvodn´ı model

(b) nov´ y model

Obrázek 3.4: Porovnán´ı p˚ uvodn´ıho a nového modelu vodn´ıho hospod´ aˇrstv´ı


22

V následuj´ıc´ıch ˇcástech je popsán postup návrhu modelu systému vodn´ıho hospodáˇrstv´ı, tvorba jeho 3D modelu, pˇr´ıprava výrobn´ıch výkres˚ u a poté i samotné slepen´ı modelu.

3.3.1

´ Uprava p˚ uvodn´ıho modelu

Práce zaˇcala t´ım, ˇze byl vytvoˇren v programu Solid Edge V20 (Siemens, 2011) 3D model p˚ uvodn´ıho modelu (Hanzl´ık, J., 2008) podle origináln´ı výkresové dokumentace od jeho autora. Z tohoto 3D modelu, viz obr. 3.4(a), bylo teprve ˇrádnˇe zjiˇstˇeno, jak je systém poskládán z jednotlivých komponent a jak celý systém funguje. Jakmile bylo detailnˇe pochopeno, jak autor navrhl p˚ uvodn´ı laboratorn´ı model, mohlo se zaˇc´ıt s jeho u ´ pravou tak, aby bylo vyhovˇeno zadán´ı této absolventské práce. Spolu s vedouc´ım absolventské práce se na pap´ır kreslily moˇzné varianty nového rozloˇzen´ı vodárny. Padaly zaj´ımavé varianty, napˇr´ıklad rozloˇzit vˇeˇze do troj´ uheln´ıkového tvaru, nicménˇe postupnˇe se ukazovalo, ˇze p˚ uvodn´ı rozloˇzen´ı má své nesporné výhody a proto se nakonec rozhodlo, ˇze se tˇret´ı vˇeˇz um´ıst´ı do ˇrady vedle dvou p˚ uvodn´ıch. Kaˇzdá vˇeˇz modelu mus´ı m´ıt ve své spodn´ı ˇcásti pˇripojeno ˇcidlo hydrostatického tlaku. Jelikoˇz ˇcidla doslova trˇc´ı z vˇeˇz´ı ven nˇekolik centimetr˚ u, je lineárn´ı rozloˇzen´ı vˇeˇz´ı jediné moˇzné. Jinak by totiˇz model musel být mnohem v´ıce roztaˇzen do plochy, coˇz by komplikovalo jeho um´ıstˇen´ı na bˇeˇzném stole. Model mus´ı v novém uspoˇrádán´ı m´ıt v´ıce neˇz o 1/3 vˇetˇs´ı zásobn´ık provozn´ı kapaliny. To je doc´ıleno pˇresunut´ım zásobn´ıku ˇcistˇe do zadn´ı ˇcásti modelu. Elektronika je pˇresunuta zcela do pˇredn´ı ˇcásti, t´ım je opuˇstˇena i p˚ uvodn´ı koncepce (Hanzl´ık, J., 2008) s pouˇzit´ım kabelového tunelu skrze zásobn´ık s kapalinou. P˚ uvodn´ı model je stejnˇe jako nový kompletnˇe vyroben z plexiskla. Jelikoˇz se tento model vyráb´ı v podm´ınkách ˇskoln´ıch d´ılen, bylo nutno ustoupit od nˇekterých konstrukˇcn´ıch proveden´ı, která m˚ uˇzeme nalézt u p˚ uvodn´ıho modelu. Napˇr´ıklad se musely vˇsechny dlouhé hrany navrhnout v proveden´ı natupo, oproti p˚ uvodn´ımu proveden´ı pod u ´ hlem 45◦ . Celé plexisklové krytován´ı je vyrobeno pouze ze dvou variant tlouˇst’ky plexiskla. Zvolilo se 5 a 10mm. Reálnˇe bylo k dispozici nakonec m´ısto tlouˇstky 5 a 10mm jen plexisklo v tlouˇst’ce 4,5 a 9,5mm. Komponenty s p˚ uvodn´ı tlouˇst’kou 8mm jsou nyn´ı vyrobeny v tlouˇst’ce 9,5mm. Z toho vyplývá, ˇze model bude i t´ımto zásahem váˇzit v´ıce, coˇz ztˇeˇzuje jeho pˇr´ıpadnou manipulaci.


3.3.2

23

V´ yrobn´ı v´ ykresy

Výrobn´ı výkresy byly zpracovány podle doporuˇcen´ı konzultanta této absolventské práce Ing. Jaroslava Svobody v programu Solid Edge V20 pˇr´ımo z 3D modelu. Jsou ˇclenˇeny podle standardn´ıch poˇzadavk˚ u na výrobu svaˇrované sestavy. I kdyˇz se v tomto pˇr´ıpadˇe pˇri výrobˇe svaˇrovat nebude. V obecné rovinˇe m˚ uˇzeme proces lepen´ı zahrnout spolu se svaˇrován´ım do podobného výrobn´ıho procesu. Celý model m˚ uˇzeme nazvat celkovou sestavou nˇekolika dalˇs´ı podsestav. Výrobn´ı výkresy tud´ıˇz ve své podstatˇe kop´ıruj´ı montáˇzn´ı postup modelu. Jednotlivé podsestavy popisuj´ı menˇs´ı celky modelu, jejich vzájemné propojen´ı se pak oznaˇcuje jako celková sestava. Z výsledné konstrukce lze celkem jednoduˇse odvodit i skladbu technické dokumentace. Kaˇzdá vˇeˇz modelu je pro konstruktéra jednou podsestavou celkové sestavy. Podle této podsestavy lze zjistit, jak budou v˚ uˇci sobˇe jednotlivé komponenty podsestavy um´ıstˇeny, kolik a jaké takové komponenty daná podsestava obsahuje. Jednotlivé komponenty, tedy tˇreba stˇeny vˇeˇze, jsou pak jiˇz d´ılˇc´ı technické výkresy dané podsestavy, které jsou rozkresleny pro jejich vlastn´ı výrobu. Schéma podsestavy vˇeˇze 1 je následuj´ıc´ı: S01 ˇ AST ´ • 11 ZADNÍ C ´ BOK • 12 LEVY ˇ • 13 PREPAD BOK ˇ ˇ • 14 PREPAD CELO ´ BOK • 15 PRAVY • 16 ZESÍLENÍ ˇ Í C ˇ AST ´ • 17 PREDN ˇ Í CERPADLA ˇ • 18 ODDELEN ˇ AST ´ kde S01 je název sestavy, 11 ZADNÍ C je oznaˇcen´ı zadn´ı stˇeny vˇeˇze, kde 11 je ˇc´ıslo pozice na výkresu sestavy. Toto ˇc´ıslo je sloˇzeno následuj´ıc´ım zp˚ usobem: 1 je oznaˇcen´ı sestavy 1 a 1 pak jiˇz konkrétn´ı pozice v této sestavˇe, sloˇzen´ım tˇechto ˇc´ıslic z´ıskáme ˇc´ıslo výrobn´ıho výkresu komponenty, napˇr´ıklad pozice 3 v sestavˇe 4 je oznaˇceno jako 43. T´ımto


24

zp˚ usobem se dá pak velice lehce dohledat konkrétn´ı výkres komponenty dané sestavy. Toto znaˇcen´ı je um´ıstˇeno do popisového pole, viz obr. 3.5, které se um´ıst’uje vpravo dole na kaˇzdém výrobn´ım výkresu. Celková sestava modelu pak obsahuje nejen plexisklové d´ıly, ale i vˇsechny dalˇs´ı komponenty výsledné sestavy. Napˇr´ıklad tedy i vˇsechny ˇsroubky, ventily nebo tˇreba tˇesnˇen´ı. Toto se zapisuje do takzvaného kusovn´ıku, viz obr. 3.6, kde se najdou vˇzdy vˇsechny komponenty jednotlivé sestavy. Kusovn´ık obsahuje u kaˇzdé poloˇzky ˇc´ıslo jej´ı pozice na výkresu, jméno, polotovar (pokud se vyráb´ı) a poˇcet kus˚ u. Materiál

Tolerování

Polotovar Hrubá hmotnos

Promítání

Změna

VOŠ, SŠ, COP Sezimovo Ústí Budějovická 421

Datum Index Podpis Poznámka M ěřítko

Název

Normalizace

Starý výkres

Číslo výkresu

Schválil

Číslo seznamu

Navrhl

Šikýř

1:2 (1:5)

Pře zkoušel Technolog

T.O.

Přesnost

Datum 27.12.2010 Číslo sestavy

VĚŽ_1 VOŠ3_2010 S1A3

Obrázek 3.5: Popisové pole sestavy vˇeˇze 1

Poz. 11 12 13 14 15 16 17 18

Nazev ZADNÍ ČÁST LEVÝ BOK PŘEPAD BOK PŘEPAD ČELO PRAVÝ BOK ZESÍLENÍ PŘEDNÍ ČÁST ODDĚLENÍ ČERPADLA

Polotovar TL.5-75x845 TL.5-50x845 TL.5-10x795 TL.5-15x795 TL.5-50x845 TL.5-50x64 TL.5-60x845 TL.5-50x64

Norma PLEXI PLEXI PLEXI PLEXI PLEXI PLEXI PLEXI PLEXI

Množ. 1 1 1 1 1 1 1 1

Obrázek 3.6: Kusovn´ık sestavy vˇeˇze 1

Veˇskerá dokumentace potˇrebná pro výrobu modelu je v pˇr´ıloze a také na pˇriloˇzeném DVD ve formátech PDF (Adobe Acrobat) i DFT (Solid Edge). Na uvedeném DVD jsou k dispozici také 3D modely ve formátu PAR (Solid Edge) a sestavy tˇechto model˚ u ve formátu ASM (Solid Edge) k pˇr´ıpadnému dalˇs´ım vyuˇzit´ı.


3.3.3

25

V´ yroba d´ıl˚ u

Plexisklo na výrobu d´ıl˚ u dle výkresové dokumentace bylo objednáno u firmy Lanit Plast s.r.o., lepidlo následnˇe, vzhledem k momentáln´ı nedostupnosti na skladu jmenované spoleˇ ˇcnosti, objednáno u firmy Rempo Holoubek a.s. Chrudim. Polotovary d´ıl˚ u byly rozˇrezány firmou Röchling Machined Plastics s.r.o. Následnˇe se jednotlivé d´ıly vyrábˇely ve ˇskoln´ıch d´ılnách. Rozˇrezán´ı a samotnou výrobu zajistil Ing. Jaroslav Svoboda jako vedouc´ı u ´ seku praktického vyuˇcován´ı. Finanˇcn´ı a hodinový rozpoˇcet projektu je souˇcást´ı pˇr´ıloh. Na výrobˇe se pod´ıleli Daniel Krˇz, Jaroslav Dvoˇrák, Jiˇr´ı Vrkoˇc a Miroslav Vrzala. Vˇzdy se snaˇzili vyj´ıt maximálnˇe vstˇr´ıc, patˇr´ı jim za to veliké d´ıky. Obrábˇen´ı plexiskla nen´ı zcela ideáln´ı záleˇzitost´ı, proto postupovala výroba pomˇernˇe pomalu a opatrnˇe. Výkresová dokumentace se ukázala být jako pomˇernˇe dobˇre pˇripravená, nicménˇe nˇekolik drobných chyb se i tak vloudilo a proto bylo nutno u nˇekolika d´ıl˚ u provést dodateˇcné u ´ pravy. Typickým problémem se ukázala pˇr´ıliˇs velká pˇresnost výroby, kde po slepen´ı nˇekolika souˇcást´ı k sobˇe doˇslo ke zvˇetˇsen´ı rozmˇer˚ u výsledné sestavy d´ıl˚ u, tud´ıˇz nadˇrazený prvek, napˇr´ıklad vrchn´ı deska, nesedla mezi jednotlivé vˇeˇze a musela být opˇetovnˇe zfrézována ˇrádovˇe o 0,5 aˇz 1mm.

3.3.4

Lepen´ı modelu

Kvalita slepen´ı modelu je z hlediska výsledného vzhledu modelu vodn´ıho hospodáˇrstv´ı rozhoduj´ıc´ım faktorem. Jednotlivé d´ıly se podaˇrilo vyrobit kvalitnˇe, i dalˇs´ı dodateˇcné u ´ pravy se podaˇrilo dodˇelat vˇcas a celé lepen´ı se daˇrilo d´ıky tomu zvládnout bˇehem nˇekolika týdn˚ u. Lepen´ı se p˚ uvodnˇe zdálo jako nejvˇetˇs´ı výzva, ukázalo se ale, ˇze pˇri dostateˇcné peˇclivosti jak pˇri lepen´ı, ale pˇredevˇs´ım pˇri teoretické pˇr´ıpravˇe, jde tento u ´ kon zvládnou pomˇernˇe rychle, bezchybnˇe a relativnˇe v krátkém ˇcase. S lepen´ım modelu vodn´ıho hospodáˇrstv´ı pomáhali Jaroslav Dvoˇrák, Josef Hrstka a Jan Pumpr. Opˇet jim za to patˇr´ı velký d´ık. I pˇri lepen´ı doˇslo k nˇekolika problém˚ um. Typicky nejv´ıc potrápilo lepidlo, které bylo po pˇriloˇzen´ı d´ıl˚ u vytlaˇceno neˇzádouc´ım smˇerem. Lepidlo je po vytvrdnut´ı viditelné i tam, kde být p˚ uvodnˇe v˚ ubec nemˇelo. Jelikoˇz je ale pomˇernˇe transparentn´ı, nen´ı tento stav nˇejakým zásadn´ım problémem. Zásadn´ı otázkou se stala tedy pˇredevˇs´ım volba, kolik lepidla na daný u ´ sek hrany nanést a jak poté k sobˇe d´ıly správnˇe pˇriloˇzit a adekvátnˇe zat´ıˇzit nebo minimálnˇe alespoˇ n udˇrˇzet jejich poˇzadovanou polohu po stanovený ˇcas potˇrebný k dostateˇcnému zavadnut´ı lepidla.


26

V m´ıstech, kde se po vytvrdnut´ı lepidla zdálo, ˇze by mohlo doj´ıt k prosáknut´ı provozn´ı kapaliny spojem, se pˇristoupilo k opˇetovnému preventivn´ımu nanesen´ı dodateˇcné vrstvy lepidla. U prostˇredn´ı pˇrepáˇzky bylo nakonec uchycen´ı v boc´ıch realizováno transparentn´ım tmelem. Doc´ılilo se tak jej´ı ideáln´ı polohy vzhledem ke zvolenému usazen´ı vˇsech vˇeˇz´ı, ke kterým je tato pˇrepáˇzka pevnˇe pˇrilepena. D˚ uleˇzité z hlediska budouc´ı tˇesnosti pˇripojených ventil˚ u bylo usazen´ı vˇeˇz´ı do základn´ı desky modelu, u kterého se pouˇzil postup souˇcasného usazen´ı vˇsech vˇeˇz´ı propojených ventily naráz. Tento postup zajistil souosost otvor˚ u pro ventily, která je d˚ uleˇzitá, protoˇze ventily jsou tˇesnˇeny o-krouˇzky (viz obr. 3.7), které jsou pˇri nepˇresnosti usazen´ı náchylné k netˇesnostem. Pˇr´ıpadnou netˇesnost lze odstranit pouˇzit´ım silikonu.

Obrázek 3.7: Detail pˇripojen´ı ventil˚ u – stˇredn´ı vˇeˇz

3.3.5


Bˇehem testován´ı funkˇcnosti modelu byla zvolena jako provozn´ı kapalina destilovaná voda pro technické pouˇzit´ı. Ukázalo se vˇsak, ˇze tato destilovaná voda nen´ı sama o sobˇe zcela vhodná. Na dnˇe zásobn´ıku se po ˇcase zaˇcal tvoˇrit mazlavý povlak tvoˇrený aktivitou mikroorganism˚ u. K odstranˇen´ı tohoto neˇzádouc´ıho jevu by mohl poslouˇzit pˇr´ıpravek Savo, který se ve vhodném pomˇeru ˇred´ı s destilovanou vodou.

Kapitola 4 Elektronika pro ˇ r´ızen´ı a ovl´ ad´ an´ı modelu ˇ ızen´ı a ovládán´ı laboratorn´ıho modelu zajiˇst’uje elektronická R´ ˇcást, která podle zadán´ı této absolventské práce umoˇzn ˇ uje jak ruˇcn´ı ovládán´ı tak i ovládán´ı modelu z poˇc´ıtaˇce s kartu MF624. Návrh elektroniky respektoval pˇredevˇs´ım poˇzadavky souvisej´ıc´ı s budouc´ım pouˇz´ıván´ım modelu vodn´ıho hospodáˇrstv´ı ve ˇskoln´ı laboratoˇri. Ruˇcn´ı ovládán´ı modelu umoˇzn ˇ uje pˇrehledný displej, který je um´ıˇ ızen´ı z poˇc´ıtaˇce dovoluje konektor pro stˇen v pˇredn´ı ˇcásti modelu. R´ pˇripojen´ı vstupnˇe-výstupn´ı karty MF624 od firmy Humusoft. Skrze tuto kartu lze model pohodlnˇe ovládat v programovém prostˇred´ı MATLAB/Simulink. Elektronika je navrˇzena bez vyuˇzit´ı mikrokontroleru a výsledný návrh raz´ı cestu maximáln´ı jednoduchosti a u ´ˇcelovosti. Vstupn´ı a výstupn´ı signály jsou od sebe pro maximáln´ı bezpeˇcnost a dlouhou ˇzivotnost oddˇeleny optoˇcleny. Um´ıstˇen´ı osazených desek ploˇsných spoj˚ u v pˇredn´ı ˇcásti modelu znemoˇzn ˇ uje pˇr´ıpadný kontakt provozn´ı kapaliny s aktivn´ımi ˇcástmi elektroniky pˇri pˇripojen´ı k napájen´ı. Samotný napájec´ı zdroj je um´ıstˇen zcela mimo laboratorn´ı model a nechává tak uvnitˇr modelu v´ıce prostoru pro chlazen´ı výkonových prvk˚ u elektroniky. Tyto výkonové prvky jsou um´ıstˇeny na odpov´ıdaj´ıc´ıch chladiˇc´ıch, které zajiˇst’uj´ı jejich optimáln´ı teplotu. Elektronika byla navrˇzena a odsimulována v programu MultiSim. Desky ploˇsných spoj˚ u byly navrˇzeny v programu Eagle. V dalˇs´ıch ˇcástech bude popsán postup návrhu elektroniky, poˇcáteˇcn´ı poˇzadavky a ovˇeˇrené parametry senzor˚ u a akˇcn´ıch ˇclen˚ u. Souˇcást´ı popisu jsou pˇr´ımo elektrická schémata. 27

ˇ ÍZENÍ A OVLAD ´ AN ´ Í MODELU KAPITOLA 4. ELEKTRONIKA PRO R

28

4.1

Poˇ zadavky na ˇ r´ızen´ı

Pˇred samotným návrhem elektroniky se po teoretické pˇr´ıpravˇe vznesly následuj´ıc´ı poˇzadavky na ˇr´ızen´ı jednotlivých komponent. Tyto poˇzadavky vycházej´ı z manuál˚ u k jednotlivým prvk˚ um. Sn´ımaˇc výˇsky hladiny LMP 331 napájet v rozsahu h12, 36i V – volit 24 V, napˇet’ový výstup bude v rozsahu h0, 10i V a bude kalibrován tak, aby 1 m ≈ 10 V. Proporcionáln´ı ventil bude ˇr´ızen proudovˇe, je plnˇe zavˇren pˇri I ≤ 350 mA a plnˇe otevˇren pˇri I ≥ 600 mA. Diskrétn´ı ventil bude ˇr´ızen napˇet’ovˇe, bude plnˇe zavˇren pˇri U ≤ 10 V a plnˇe otevˇren pˇri U = 24 V (odbˇer I = 0,3 A). Zubové ˇcerpadlo Favorit bude ˇr´ızeno spojitˇe napˇet’ovˇe, bude vypnuto pˇri U = 0 V a plný chod bude pˇri U = 12 V. Odstˇredivé ˇcerpadlo CM10P7-1 bude ˇr´ızeno spojitˇe napˇet’ovˇe, bude vypnuto pˇri U = 0 V a plný chod bude pˇri U = 24 V (odbˇer 0,54 A). Po slepen´ı modelu jsou tyto teoretické pˇredpoklady v dalˇs´ı ˇcásti konfrontovány s realitou. U nˇekterých parametr˚ u muselo doj´ıt, vzhledem k namˇeˇreným parametr˚ um, ke zmˇenˇe.

4.1.1

Zmˇ eˇ ren´ e parametry akˇ cn´ıch ˇ clen˚ u a senzor˚ u

Po slepen´ı modelu a jeho osazen´ı senzory a akˇcn´ımi prvky byly namˇeˇreny referenˇcn´ı hodnoty jednotlivých komponent, podle kterých byly navrˇzeny obvody elektroniky pro jejich korektn´ı funkci. Namˇeˇrené hodnoty jednotlivých prvk˚ u jsou uvedeny v následuj´ıc´ım seznamu. Sn´ımaˇc výˇsky hladiny LMP 331 pravý • h = 0,664 m ≈ U = 7,400 V • h = 0,332 m ≈ U = 4,410 V • h = 0,000 m ≈ U = 0,898 V Sn´ımaˇc výˇsky hladiny LMP 331 prostˇredn´ı • h = 0,664 m ≈ U = 7,390 V • h = 0,332 m ≈ U = 4,140 V • h = 0,000 m ≈ U = 0,878 V

´ ˇ ÍHO OVLADAC ´ ÍHO PANELU 4.2. NAVRH VZHLEDU PREDN

29

Sn´ımaˇc výˇsky hladiny LMP 331 levý • nemˇeˇren, pˇredpokládaj´ı se pˇribliˇznˇe stejné hodnoty jako u pˇredchoz´ıch sn´ımaˇc˚ u Proporcionáln´ı ventil • ˇr´ıdit proudem I ∈ h350, 600i A • odpor c´ıvky ventilu 32 Ω Diskrétn´ı ventil • pˇri U = 24 V odbˇer I = 0,3 A Zubové ˇcerpadlo Favorit • pˇri U = 8 V odbˇer I = 2 A • pˇri U = 12 V odbˇer I = 3,5 A • napájet napˇet´ım U ∈ h0, 8i V, aby byl za chodu omezen hluk ˇcerpadla a také proud vzhledem k prodlouˇzen´ı jeho ˇzivotnosti Odstˇredivé ˇcerpadlo CM10P7-1 • pˇri U = 24 V odbˇer I = 0,4 A • napájet napˇet´ım U ∈ h0, 20i V z d˚ uvodu velkého tlaku tak, aby st´ıhala kapalina pˇr´ıpadnˇe odtékat pˇrepadem Zmˇeˇrené hodnoty uvedené výˇse jsou hodnotami referenˇcn´ımi pro samotný návrh elektroniky. Jak z pˇredchoz´ıch dvou ˇcást´ı vyplývá, oproti p˚ uvodn´ım teoretickým pˇredpoklad˚ um doˇslo k drobným zmˇenám v poˇzadavc´ıch na ˇr´ızen´ı. Tyto zmˇeny vycházej´ı pˇredevˇs´ım z praktických zkouˇsek jednotlivých komponent, u kterých se ukázalo, ˇze nˇekteré parametry bude vhodné upravit.

4.2

N´ avrh vzhledu pˇ redn´ıho ovl´ adac´ıho panelu

Model je navrˇzen jak pro ovládán´ı z PC tak pro ovládán´ı v ruˇcn´ım reˇzimu. Toto ovládán´ı dovoluje pˇredn´ı panel, kde jsou um´ıstˇeny ovládac´ı prvky a také kontrolky stavu modelu.


30

Celý panel má rozmˇery 600 krát 65 mm. Regulaci chodu ˇcerpadel a m´ıry otevˇren´ı proporcionáln´ıch ventil˚ u umoˇzn ˇ uj´ı zabudované potenciometry. Jejich aktuáln´ı stav ukazuj´ı sloupcové LED zobrazovaˇce. Otevˇren´ı a zavˇren´ı diskrétn´ıho ventilu dovoluje pˇr´ısluˇsný sp´ınaˇc s indikac´ı otevˇren´ı/zavˇren´ı tohoto ventilu. Výˇsku hladin v jednotlivých nádrˇz´ıch ukazuj´ı sedmisegmentové displeje. To, zda je model v reˇzimu remote (ˇr´ızen z PC) nebo local (ˇr´ızen ruˇcnˇe), znázorˇ nuj´ı LED diody um´ıstˇené zcela vpravo. Na tomto m´ıstˇe je také indikace, zda-li je model pˇripojen k napájen´ı ˇci nikoliv. Pˇresné rozloˇzen´ı prvk˚ u na pˇredn´ım panelu ukazuje obr. 4.1, který je na pˇriloˇzeném DVD ve formátu EPS (zapouzdˇrený Post Script).

Obrázek 4.1: Schéma rozvrˇzen´ı pˇredn´ıho panelu

4.3

Potˇ rebn´ a nap´ ajec´ı napˇ et´ı

Model je napájen z extern´ıho napájec´ıho zdroje a s PC komunikuje prostˇrednictv´ım softwarového prostˇred´ı MATLAB/Simulink a vstupnˇe/výstupn´ı karty MF624 od firmy Humusoft. Seznam potˇrebných napájec´ıch napˇet´ı zdroje a poˇc´ıtaˇcové karty je v následuj´ıc´ım soupisu. Extern´ı napájec´ı zdroj • +24 V • +12 V • +5 V • 0V • −12 V • −5 V

´ SCHEMA ´ 4.4. BLOKOVE ELEKTRONIKY

31

Karta MF624 • +12 V • 0V • −12 V • TTL1 digitáln´ı vstupy a výstupy s jmenovitou u ´ rovn´ı 0 V a 5 V • analogové vstupy a výstupy s jmenovitým rozsahem napˇet´ı U ∈ h0, 10i V

4.4

Blokov´ e sch´ ema elektroniky

Elektronika se skládá celkem z 11 funkˇcn´ıch blok˚ u. Seznam tˇechto blok˚ u je uveden n´ıˇze a vzájemné propojen´ı ukazuje obr. 4.2. Bliˇzˇs´ı popis jednotlivých blok˚ u je uveden v dalˇs´ıch ˇcástech této kapitoly vˇcetnˇe schématu jejich vnitˇrn´ıho zapojen´ı a pˇr´ıpadnˇe i vˇcetnˇe jejich zmˇeˇrené linearity pˇrevodu signál˚ u. 1 Optoelektronický oddˇelovaˇc s kompenzaci nuly a linearity pˇrevodu 2 A/D pˇrevodn´ık pro buzen´ı sedmisegmentových zobrazovaˇc˚ u 3 Logika ˇr´ızen´ı local/remote 4 A/D pˇrevodn´ık pro sloupcové zobrazovaˇce 5 Pˇrevodn´ık U/I pro ˇr´ızen´ı proporcionáln´ıho ventilu 6 Elektronický sp´ınaˇc pro ˇr´ızen´ı diskrétn´ıho ventilu 7 Pˇrevodn´ık U/U pro ˇr´ızen´ı zubového ˇcerpadla 8 Pˇrevodn´ık U/U pro ˇr´ızen´ı odstˇredivého ˇcerpadla 9 Obvody indikace napájen´ı a typu ˇr´ızen´ı 10 Obvody ruˇcn´ıho ovládán´ı 11 Sestava blok˚ u stabilizovaného napájec´ıho zdroje 1

´, J. a Za ´hlava, V., 2005) Tranzistorovˇe Tranzistorová Logika (Vobecky

32


Obrázek 4.2: Blokové schéma elektroniky laboratorn´ıho modelu

´ SCHEMA ´ 4.4. BLOKOVE ELEKTRONIKY

4.4.1

33

Poˇ zadavky na jednotliv´ e funkˇ cn´ı bloky

Návrh funkˇcn´ıch blok˚ u respektoval vznesené poˇzadavky na jejich funkci tak, jak je uvád´ı následuj´ıc´ı seznam. 1. Optoelektronický oddˇelovaˇc s kompenzaci nuly a linearity pˇrevodu • vstupn´ı napˇet´ı U ∈ h0, 10i V, vstupn´ı proud zanedbatelný (jednotky µA) • výstupn´ı napˇet´ı U ∈ h0, 10i V, výstupn´ı proud max. jednotky mA • moˇznost dostavit nulu napˇet´ı a linearitu pˇrevodu 2. A/D pˇrevodn´ık pro buzen´ı sedmisegmentových zobrazovaˇc˚ u • moˇznost pˇresného dostaven´ı nuly napˇet´ı a souˇcinitele pˇrevodu • kaˇzdý zobrazovaˇc je sestaven z trojice sedmiprvkových segmentovek • zobrazovaˇce udávaj´ı výˇsku hladiny v metrech 3. Logika ˇr´ızen´ı local/remote • pˇrep´ınán´ı ˇr´ızen´ı remote/local se provád´ı TTL signálem z poˇc´ıtaˇcové karty (jeden z výstup˚ u DOUT) • pˇri log. 0 (0 V) je zapnuto ruˇcn´ı ˇr´ızen´ı (local) • pˇri log. 1 (+5 V) je zapnuto dálkové (remote) ˇr´ızen´ı z poˇc´ıtaˇce 4. A/D pˇrevodn´ık pro sloupcové zobrazovaˇce • pˇrevád´ı vstupn´ı napˇet´ı na desetisegmentový sloupcový zobrazovaˇc 5. Pˇrevodn´ık U/I pro ˇr´ızen´ı proporcionáln´ıho ventilu • vstupn´ı napˇet´ı U ∈ h0, 10i V, vstupn´ı proud zanedbatelný (jednotky µA) • výstupn´ı proud I ∈ h350, 600i mA • moˇznost dostavit nulu a souˇcinitel pˇrevodu 6. Elektronický sp´ınaˇc pro ˇr´ızen´ı diskrétn´ıho ventilu • vstupn´ı napˇet´ı 0 V/5 V (TTL) • výstupn´ı sp´ınané napˇet´ı +24 V/max. 0,4 A (proudová zátˇeˇz poˇc´ıtána s rezervou 25 %)


34

7. Pˇrevodn´ık U/U pro ˇr´ızen´ı zubového ˇcerpadla • vstupn´ı napˇet´ı U ∈ h0, 10i V, vstupn´ı proud zanedbatelný (jednotky µA) • výstupn´ı napˇet´ı U ∈ h0, 8i V, max. 2,5 A (proudová zátˇeˇz poˇc´ıtána s rezervou 25 %) 8. Pˇrevodn´ık U/U pro ˇr´ızen´ı odstˇredivého ˇcerpadla • vstupn´ı napˇet´ı U ∈ h0, 10i V, vstupn´ı proud zanedbatelný (jednotky µA) • výstupn´ı napˇet´ı U ∈ h0, 24i V, max. 0,5 A (proudová zátˇeˇz poˇc´ıtána s rezervou 25 %) 9. Obvody indikace napájen´ı a typu ˇr´ızen´ı • obsahuje tˇri LED diody pro indikaci napájec´ıho napˇet´ı, m´ıstn´ıho (local) a dálkového (remote) ˇr´ızen´ı 10. Obvody ruˇcn´ıho ovládán´ı • obsahuj´ı potenciometry a sp´ınaˇc pro ruˇcn´ı ovládán´ı jednotlivých prvk˚ u systému 11. Sestava blok˚ u stabilizovaného napájec´ıho zdroje • výstupn´ı stabilizovaná napˇet´ı a odhadnuté maximáln´ı proudové odbˇery: • +24 V/1,92 A • +12 V/2,89 A • +5 V/0,86 A • −12 V/0,72 A • −5 V/0,04 A • 0 V/6,43 A

4.5

Elektrick´ e zapojen´ı jednotliv´ ych funkˇ cn´ıch blok˚ u

V dalˇs´ıch ˇcástech bude popsáno jednotlivé zapojen´ı pouˇzitých funkˇcn´ıch blok˚ u. Bude struˇcnˇe vysvˇetlen jejich princip a také postup správného nastaven´ı tˇechto obvod˚ u. Popis

´ ZAPOJENÍ JEDNOTLIVYCH ´ ˇ ÍCH BLOKU ˚ 4.5. ELEKTRICKE FUNKCN

35

obvod˚ u je pro názornost a snaˇzˇs´ı pochopen´ı doplnˇen pˇr´ımo schématem zapojen´ı, pˇr´ıpadnˇe i jejich linearitou.

4.5.1

Optoelektronick´ y oddˇ elovaˇ c s kompenzac´ı nuly a linearity pˇ revodu

Optoelektronický oddˇelovaˇc je pouˇzit ke galvanickému oddˇelen´ı zdroje a dalˇs´ıho obvodu. Protoˇze pˇrenáˇs´ıme analogický signál, bylo nutno do zapojen´ı zabudovat kompenzaci nelinearity pˇrenosu. To je doc´ıleno (Belza, J., 2004) dvojic´ı optoˇclen˚ u, z nichˇz jeden je ve vazbˇe operaˇcn´ıho zesilovaˇce. Pˇresné nastaven´ı nulového výstupn´ıho napˇet´ı pˇri nulovém vstupn´ım napˇet´ı se nastav´ı trimrem R1. Kapacitor C3 je blokovac´ı kapacitor brán´ıc´ı samovolnému rozkmitán´ı obvodu, R1 je trimr pro dostaven´ı nuly výstupn´ıho napˇet´ı a R2 je trimr pro dostaven´ı linearity pˇrevodu napˇet´ı. Schéma zapojen´ı ukazuje následuj´ıc´ı obrázek.

Obrázek 4.3: Schéma optoelektronického oddˇelovaˇce

Korektn´ı nastaven´ı funkˇcn´ıho bloku je toto. Uzemn´ıme vstup IN (tj. Uvst = 0,00 V) a ladˇen´ım trimru R1 nastav´ıme nulové výstupn´ı napˇet´ı (tj. Uvyst = 0,00 V). Dále na vstup IN pˇripoj´ıme napˇet´ı Uvst = 10,00 V a ladˇen´ım trimru R2 nastav´ıme výstupn´ı napˇet´ı Uvyst = 10,00 V. Linearitu ovˇeˇr´ıme ve v´ıce bodech (2 V, 4 V, 6 V, 8 V).


36

4.5.2

A/D pˇ revodn´ık pro buzen´ı sedmisegmentov´ ych zobrazovaˇ c˚ u

A/D pˇrevodn´ık pro buzen´ı sedmisegmentových zobrazovaˇc˚ u je sloˇzen ze tˇr´ı ˇcást´ı. Prvn´ı ˇcást´ı je sledovac´ı zesilovaˇc se zas´ılen´ım rovným jedné obsahuj´ıc´ım dva obvody LM324N. Výstupn´ı napˇet´ı v rozsahu 0 aˇz 2 V je vedeno na vstup IN integrovaného pˇrevodn´ıku 7107. Obvod ICL 7107 je 3,5m´ıstný A/D pˇrevodn´ık k buzen´ı sedmisegmentových zobrazovaˇc˚ u. Posledn´ı ˇcást´ı obvodu je trojice sedmisegmentových zobrazovaˇc˚ u se spoleˇcnými anodami buzená výstupy pˇrevodn´ıku 7107. Zapojen´ı A/D pˇrevodn´ıku pro buzen´ı sedmisegmentových zobrazovaˇc˚ u ukazuje následuj´ıc´ı obrázek. Trim R12 je pro dostaven´ı nulové výˇsky hladiny, R13 je trimr pro dostaven´ı koeficientu pˇrevodu a R2 je trimr pro dostaven´ı referenˇcn´ıho napˇet´ı A/D pˇrevodn´ıku.

Obrázek 4.4: Schéma pˇrevodn´ıku pro buzen´ı sedmisegmentov´ ych zobrazovaˇc˚ u

Nastaven´ı obvodu je následuj´ıc´ı. Ladˇen´ım trimru R2 nastav´ıme na jeho jezdci (tj. vývodu ˇc. 36 IC1) napˇet´ı 1,00 V proti kostˇre. Dále na vstup IN pˇripoj´ıme sn´ımaˇc výˇsky hladiny ve válci a napust´ıme do vˇeˇze tolik vody, aby výˇska hladiny odpov´ıdala tzv. nulové hladinˇe. Ladˇen´ım trimru R12 nastav´ıme pˇri nulové hladinˇe nulový u ´ daj na pˇr´ısluˇsném displeji. Do válce naˇcerpáme maximum vody. Ladˇen´ım trimru R13 nastav´ıme na pˇr´ısluˇsném displeji odpov´ıdaj´ıc´ı výˇsku hladiny. Poznámka: Postupné nastaven´ı trimr˚ u R12 a R13 je nutno nˇekolikrát opakovat pro dosaˇzen´ı vyhovuj´ıc´ı pˇresnosti nastaven´ı pˇrevodn´ıku.


4.5.3

37

Logika ˇ r´ızen´ı local/remote

Pˇrep´ınac´ı obvod mezi ˇr´ızen´ım local a remote je tvoˇren sp´ınac´ım zesilovaˇcem s bipolárn´ım tranzistorem v zapojen´ı se spoleˇcným emitorem. V kolektoru tranzistoru BC337 je zapojeno vinut´ı pˇrep´ınac´ıho relé s rychlou ochrannou diodou KY197. Pokud na ˇr´ıdic´ım vstupu L/R je signál 0 V, je tranzistor zavˇren, vinut´ım relé neteˇce ˇzádný proud a výstup OUT je pˇripojen na m´ıstn´ı (local) ˇr´ızen´ı. Pokud je na ˇr´ıdic´ım vstupu L/R signál +5 V, je tranzistor sepnutý, relé je aktivn´ı a výstup OUT je pˇripojen na dálkové (remote) ˇr´ızen´ı. Zapojen´ı je na dalˇs´ım obrázku.

Obrázek 4.5: Schéma pˇrep´ınac´ıho obvodu local/remote

4.5.4

A/D pˇ revodn´ık pro sloupcov´ e zobrazovaˇ ce

A/D pˇrevodn´ık pro sloupcové zobrazovaˇce je navrˇzen v komparaˇcn´ım zapojen´ı s desetibitovým výstupem na LED bargraf2 . Napˇet´ı pˇrivedené na vstup pˇrevodn´ıku je porovnáváno v paraleln´ım zapojen´ı komparátor˚ u s jednotlivými napˇet´ımi na odboˇckách odporového dˇeliˇce R1 aˇz R11. Pokud v pˇr´ısluˇsném komparaˇcn´ım stupni je vstupn´ı napˇet´ı vˇetˇs´ı neˇz napˇet´ı na odpov´ıdaj´ıc´ı odboˇcce odporového dˇeliˇce, komparátor pˇreklop´ı sv˚ uj výstup do záporné u ´ rovnˇe, ˇc´ımˇz se otevˇre pˇripojená sp´ınac´ı dioda 1N4148 a rozsv´ıt´ı se pˇr´ısluˇsný segment bargrafu. Schéma ukazuje následuj´ıc´ı obrázek. 2

LED sloupcov´ y zobrazovaˇc

38


Obrázek 4.6: Schéma pˇrevodn´ıku pro sloupcové zobrazovaˇce


4.5.5

39

Pˇ revodn´ık U/I pro ˇ r´ızen´ı proporcion´ aln´ıho ventilu

Pˇrevodn´ık U/I pro ˇr´ızen´ı proporcionáln´ıho ventilu je sloˇzen ze tˇr´ı ˇcást´ı. Prvn´ı ˇcást´ı je zapojen´ı operaˇcn´ıho zesilovaˇce jako tzv. napˇet’ového sledovaˇce. V tomto zapojen´ı má operaˇcn´ı zesilovaˇc zes´ılen´ı rovné jedné. Obvod slouˇz´ı k impedanˇcn´ımu pˇrizp˚ usoben´ı celého zapojen´ı v˚ uˇci zdroji signálu (optoelektronický oddˇelovac´ı obvod). Na obvod napˇet’ového sledovaˇce navazuje souˇctový zesilovaˇc, který pln´ı funkci pˇrevodn´ıku napˇet’ových u ´ rovn´ı. Výstup tohoto zesilovaˇce bud´ı vlastn´ı pˇrevodn´ık napˇet´ı/proud, který je sloˇzen z operaˇcn´ıho zesilovaˇce s nesymetrickým napájen´ım a proudovým pos´ılen´ım výstupu tvoˇreným výkonovým tranzistorem BD139. Rezistory R9 a R10 zapojené v emitoru tohoto tranzistoru pln´ı funkci sn´ımac´ıho odporového dˇeliˇce invertuj´ıc´ıho vstupu operaˇcn´ıho zesilovaˇce IC2A. Vlastn´ı operaˇcn´ı zesilovaˇc IC2A poté pracuje jako napˇet’ový komparátor. Zapojen´ı pˇrevodn´ıku U/I pro ˇr´ızen´ı proporcionáln´ıho ventilu ukazuje následuj´ıc´ı obrázek. Trimr R7 slouˇz´ı pro dostaven´ı minimáln´ıho proudu proporcionáln´ım ventilem a R6 je trimr pro dostaven´ı maximáln´ıho proudu proporcionáln´ım ventilem.

Obrázek 4.7: Schéma pˇrevodn´ıku U/I pro ˇr´ızen´ı proporˇcn´ıho ventilu

Postup nastaven´ı obvodu pro jeho korektn´ı funkci je následuj´ıc´ı. Uzemn´ıme vstup IN (tj. Uvst = 0 V) a ladˇen´ım trimru R7 nastav´ıme proud ventilem na hodnotu 350 mA. V dalˇs´ım kroku na vstup IN pˇripoj´ıme napˇet´ı Uvst = 10,00 V. Ladˇen´ım trimru R6 nastav´ıme proud ventilem na hodnotu 600 mA. Postupné nastaven´ı trimr˚ u R7 a R6 je tˇreba opakovat nˇekolikrát pro dosaˇzen´ı vyhovuj´ıc´ı pˇresnosti nastaven´ı pˇrevodn´ıku.

40

4.5.6


Elektronick´ y sp´ınaˇ c pro ˇ r´ızen´ı diskr´ etn´ıho ventilu

Elektronický sp´ınaˇc pro ˇr´ızen´ı diskrétn´ıho ventilu je tvoˇren sp´ınac´ım zesilovaˇcem s bipolárn´ım tranzistorem v zapojen´ı se spoleˇcným emitorem. V kolektoru tranzistoru BC337 je zapojeno vinut´ı sp´ınac´ıho relé s rychlou ochrannou diodou KY197. Pokud je na ˇr´ıdic´ım vstupu signál 0 V, je tranzistor zavˇren, vinut´ım relé neteˇce ˇzádný proud a diskrétn´ı ventil je odpojen od zdroje napájen´ı. Pokud je na ˇr´ıdic´ım vstupu je signál +5 V, je tranzistor sepnutý, relé je aktivn´ı a kontakt relé je sepnutý. Diskrétn´ı ventil je pˇripojen na zdroj napˇet´ı +24 V. Diody D1 aˇz D3 tvoˇr´ı ochranu elektronického obvodu proti záporným napˇet’ovým ˇspiˇckám. Schéma elektronického sp´ınaˇce pro ˇr´ızen´ı diskrétn´ıho ventilu je na následuj´ıc´ım obrázku.

Obrázek 4.8: Schéma elektronického sp´ınaˇce pro ˇr´ızen´ı diskrétn´ıho ventilu

4.5.7

Pˇ revodn´ık U/U pro ˇ r´ızen´ı zubov´ eho ˇ cerpadla

Pˇrevodn´ık U/U pro ˇr´ızen´ı zubového ˇcerpadla provád´ı konverzi vstupn´ıho napˇet´ı v rozsahu 0 aˇz 10 V na výstupn´ı napˇet´ı pro napájen´ı zubového ˇcerpadla v rozsahu 0 aˇz 8 V pˇri proudovém odbˇeru aˇz 2 A. Vlastn´ı obvod napˇet’ového pˇrevodn´ıku se skládá ze vstupn´ıho napˇet’ového sledovaˇce s pˇrenosem rovným 1 a navazuj´ıc´ıho pˇrevodn´ıku napˇet´ı/napˇet´ı. Diody D1 a D2 slouˇz´ı k potlaˇcen´ı poˇcáteˇcn´ıch nelinearit VA charakteristik bipolárn´ıch tranzistor˚ u T1 a T2. Rychlá kˇrem´ıková dioda D6 slouˇz´ı k ochranˇe koncového stupnˇe pˇrevodn´ıku proti záporným napˇet’ovým ˇspiˇckám zp˚ usobenými indukˇcnost´ı zubového ˇcerpadla. Trimr R17 umoˇzn ˇ uje nastaven´ı zes´ılen´ı pˇrevodn´ıku a R9, R13 umoˇzn ˇ uje dostaven´ı linearity pˇrevodu. Zapojen´ı bloku pˇrevodn´ıku U/U pro ˇr´ızen´ı zubového ˇcerpadla zobrazuje následuj´ıc´ı obrázek.


41

Obrázek 4.9: Schéma pˇrevodn´ıku pro ˇr´ızen´ı zubového ˇcerpadla

Nastaven´ı pˇrevodn´ıku pro správnou funkci je následuj´ıc´ı. Na vstup IN pˇripoj´ıme napˇet´ı Uvst = 10,00 V a ladˇen´ım trimru R17 nastav´ıme ss napˇet´ı na ˇcerpadle Uvyst = 8,00 V. Dále na vstup IN pˇripoj´ıme napˇet´ı Uvst = 5,00 V a ladˇen´ım R9 nastav´ıme napˇet´ı na bázi T2 na hodnotu 11,26 V v˚ uˇci zemi. Ladˇen´ım R13 dostav´ıme napˇet´ı na ˇcerpadle na hodnotu 4,11 V. Ovˇeˇr´ıme koneˇcnou linearitu mˇeˇren´ım závislosti napˇet´ı Uvyst na napˇet´ı Uvst , které mˇen´ıme od 0 V do 10 V s krokem 1 V. Odsimulovaná linearita pˇrevodn´ıku je na dalˇs´ım obrázku. 8 U

vst

[V]

U [V]

7

2

Uvst , U2 [V]

6 5 4 3 2 1 0

0

2

4

6

8

10

U1 [V]

Obrázek 4.10: Statická charakteristika pˇrevodn´ıku pro ˇr´ızen´ı zubového ˇcerpadla


42

4.5.8

Pˇ revodn´ık U/U pro ˇ r´ızen´ı odstˇ rediv´ eho ˇ cerpadla

Pˇrevodn´ık U/U pro ˇr´ızen´ı odstˇredivého ˇcerpadla mˇen´ı vstupn´ı napˇet´ı v rozsahu 0 aˇz 10 V na výstupn´ı napˇet´ı pro napájen´ı odstˇredivého ˇcerpadla v rozsahu 0 aˇz 20 V pˇri proudovém odbˇeru aˇz 0,5 A. Stejnˇe jako v podkapitole 4.5.7 se i zde obvod napˇet’ového pˇrevodn´ıku skládá ze vstupn´ıho napˇet’ového sledovaˇce s pˇrenosem rovným 1 a navazuj´ıc´ım pˇrevodn´ıkem napˇet´ı/napˇet´ı. Diody D1 a D2 slouˇz´ı k potlaˇcen´ı poˇcáteˇcn´ıch nelinearit VA charakteristik bipolárn´ıch tranzistor˚ u T1 a T2. Rychlá kˇrem´ıková dioda D6 slouˇz´ı k ochranˇe koncového stupnˇe pˇrevodn´ıku proti záporným napˇet’ovým ˇspiˇckám zp˚ usobenými indukˇcnost´ı odstˇredivého ˇcerpadla. Pomoc´ı rezistor˚ u R9 a R13 se dostavuje linearita pˇrevodu. Dále se v tomto zapojen´ı trimrem R17 nastav´ı zes´ılen´ı pˇrevodn´ıku a rezistory R9 a R13 dostavuj´ı linearitu pˇrevodu. Celé schéma je na následuj´ıc´ım obrázku.

Obrázek 4.11: Schéma pˇrevodn´ıku pro ˇr´ızen´ı odstˇredivého ˇcerpadla

Nastaven´ı pˇrevodn´ıku U/U pro ˇr´ızen´ı odstˇredivého ˇcerpadla se provede následuj´ıc´ım zp˚ usobem. Na vstup IN pˇripoj´ıme napˇet´ı Uvst = 10,0 V a ladˇen´ım trimru R17 nastav´ıme ss napˇet´ı na ˇcerpadle Uvyst = 20,0 V. Hodnoty rezistor˚ u R9 a R13 se dohledaj´ı následuj´ıc´ım postupem. Na vstup IN pˇripoj´ıme napˇet´ı Uvst = 5,00 V a ladˇen´ım R9 nastav´ıme napˇet´ı na bázi T2 na hodnotu 23,36 V v˚ uˇci kostˇre. Ladˇen´ım R13 dostav´ıme napˇet´ı na ˇcerpadle na hodnotu 10,73 V. Ovˇeˇr´ıme koneˇcnou linearitu mˇeˇren´ım závislosti napˇet´ı Uvyst na napˇet´ı Uvst , které mˇen´ıme od 0 V do 10 V s krokem 1 V. Linearitu pˇrevodn´ıku namˇeˇrenou pˇri simulaci obvodu ukazuje následuj´ıc´ı obrázek.


43

20 zmereno idealni stav

18 16 14

2

U [V]

12 10 8 6 4 2 0

0

2

4

6

8

10

U [V] 1

Obrázek 4.12: Statická charakteristika pˇrevodn´ıku pro ˇr´ızen´ı odstˇredivého ˇcerpadla

4.5.9

Obvody indikace nap´ ajen´ı a typu ˇ r´ızen´ı

Obvod indikace obsahuje 3 LED diody, které indikuj´ı stav napájen´ı veˇskeré elektroniky a druh ˇr´ızen´ı (m´ıstn´ı/dálkové). Jestliˇze je v provozu napájec´ı zdroj a pracuje bezchybnˇe, sv´ıt´ı trvale kontrolka napájen´ı. Obvod indikace typu ˇr´ızen´ı je sloˇzen ze dvou kaskádnˇe zapojených tranzistorových sp´ınaˇc˚ u. Jestliˇze je na ˇr´ıdic´ım vstupu L/R 0 V, je tranzistor

Obrázek 4.13: Schéma indikace nap´ ajen´ı a typu ˇr´ızen´ı


44

T1 zavˇren a tranzistor T2 naopak otevˇren. Dioda REMOTE nesv´ıt´ı a dioda LOCAL sv´ıt´ı a indikuje t´ım m´ıstn´ı ˇr´ızen´ı modelu vodn´ıho hospodáˇrstv´ı. Je-li na ˇr´ıdic´ım vstupu L/R napˇet´ı +5 V, je sepnut tranzistor T1 a tranzistor T2 rozepnut. Nyn´ı sv´ıt´ı dioda REMOTE a dioda LOCAL je zhasnuta. Svit diody REMOTE indikuje vzdálené ˇr´ızen´ı elektroniky modelu vodn´ıho hospodáˇrstv´ı. Zapojen´ı lze nalézt na obr. 4.13.

4.5.10

Obvody ruˇ cn´ıho ovl´ ad´ an´ı

Obvody roˇcn´ıho ovládán´ı jsou sloˇzeny ze 4 potenciometr˚ u pro ovládán´ı ˇcerpadel a proporcionáln´ıch ventil˚ u a jednoho jednopólového sp´ınaˇce s prosvˇetlen´ım sv´ıtivou diodou pro ovládán´ı diskrétn´ıho ventilu. Rezistory R1, R3, R5, R7 a R10 slouˇz´ı k u ´ pravˇe horn´ıch mez´ı regulovaných napˇet´ı. Schéma obvod˚ u ruˇcn´ıho ovládán´ı ukazuje dalˇs´ı obrázek.

Obrázek 4.14: Schéma obvod˚ u ruˇcn´ıho ovlád´ an´ı

4.5.11

Nap´ ajec´ı zdroj

Napájec´ı zdroj je pˇripojen do s´ıtˇe 230V/50Hz. Je sloˇzen ze tˇr´ı toroidn´ıch transformátor˚ u, ˇsesti dvoucestných usmˇerˇ novaˇc˚ u v m˚ ustkovém zapojen´ı za nimiˇz následuj´ı filtraˇcn´ı kondenzátory s kapacitou 1 mF aˇz 3 mF napájej´ıc´ı pˇr´ısluˇsné integrované stabilizátory. Výstupn´ı stabilizovaná napˇet´ı celého zdroje jsou: • +24 V/ max. 2 A • dvakrát +12 V/ max. 2 A • +5 V/ max. 2 A • 0V

´ ZAPOJENÍ JEDNOTLIVYCH ´ ˇ ÍCH BLOKU ˚ 4.5. ELEKTRICKE FUNKCN • −5 V/ max. 1 A • −12 V/ max. 1 A Kompletn´ı schéma napájec´ıho zdroje zobrazuje následuj´ıc´ı obrázek.

Obrázek 4.15: Schéma nap´ ajec´ıho zdroje

45

46


Kapitola 5 Z´ avˇ er V této absolventské práci se podaˇrilo splnit vˇsechny poˇzadavky zadán´ı. Nejprve byl vytvoˇren matematický, simulinkový a virtuáln´ı model systému vodn´ıho hospodáˇrstv´ı. Souˇcást´ı této práce je i popis laboratorn´ıho modelu, který m˚ uˇze být vyuˇzit studenty pˇri výuce. Dále byly zpracovány podklady pro výrobu skuteˇcného modelu vodn´ıho hospodáˇrstv´ı dle norem tvorby technické dokumentace a byly pro nˇej vybrány i vhodné senzory a akˇcn´ı ˇcleny. V práci jsou popsány i rady a doporuˇcen´ı pro výrobu a slepen´ı modelu. V posledn´ı ˇcásti je popsán návrh elektroniky pro ˇr´ızen´ı modelu. Souˇcást´ı jsou schémata zapojen´ı a nechyb´ı i pokyny pro správné nastaven´ı pouˇzitých obvod˚ u. Bˇehem tvorby modelu systému vodn´ıho hospodáˇrstv´ı doˇslo i k nˇekolika problém˚ um. Tyto problémy byly zp˚ usobeny vˇetˇsinou chybˇej´ıc´ımi zkuˇsenostmi s realizac´ı podobného modelu od samého poˇcátku návrhu aˇz po fináln´ı konstrukci a oˇziven´ı. Nejvˇetˇs´ı komplikace vznikaly pˇri výrobˇe a lepen´ı konstrukce modelu. Model byl navrˇzen pro ˇs´ıˇrku plexiskla 5 a 10 mm, nicménˇe firma dodala plexisklo o 0,5 mm uˇzˇs´ı, na coˇz se pˇriˇslo aˇz bˇehem výroby a dokumentace se jiˇz tud´ıˇz nedala vˇcas opravit. Naˇstˇest´ı i pˇres tento problém lepen´ı dopadlo vcelku dobˇre. Spoustu vrásek na ˇcele zp˚ usobila obˇcasná ned˚ uslednost pˇri lepen´ı modelu, kde vznikaly nedostateˇcným zat´ıˇzen´ım lepených ˇcást´ı 47

´ ER ˇ KAPITOLA 5. ZAV

48

vˇetˇs´ı ˇs´ıˇrky sestav komponent neˇz se pˇredpokládalo a muselo se tud´ıˇz dodateˇcnˇe navazuj´ıc´ı prvky znovu obrábˇet, coˇz u plexiskla nen´ı zrovna jednoduché. Obˇcas se pˇri lepen´ı dostalo lepidlo i tam, kam nemˇelo, ale to uˇz je vcelku drobnost a vzhledem k jeho vynikaj´ıc´ı transparentnosti problém kapku nepodstatný. Bˇehem testován´ı se ukázalo, ˇze pˇrepady vˇeˇz´ı by mˇely konˇcit jiˇz tˇesnˇe pod horn´ım v´ıkem. Pˇri vyˇsˇs´ı hladinˇe kapaliny v zásobn´ıku jinak docház´ı k bublán´ı vytlaˇcovaného vzduchu bˇehem plnˇen´ı vˇeˇze kapalinou. Také výroba a osazen´ı desek ploˇsných spoj˚ u nˇekdy pˇrinesla kruˇsné chvilky pˇri následném hledán´ı nechtˇenˇe propojených vodivých cest a spojených noˇziˇcek integrovaných obvod˚ u. Takto z´ıskané zkuˇsenosti budou jistˇe v budoucnu dobˇre vyuˇzity pˇri návrhu dalˇs´ıch model˚ u do nové Laboratoˇre aplikované informatiky a fyziky. Nad rámec této absolventské práce se podaˇrilo tento model vyrobit a osadit jej vybranými senzory a akˇcn´ımi prvky. Podaˇrilo se téˇz vyrobit elektroniku potˇrebnou pro ruˇcn´ı ovládán´ı modelu, pˇr´ıpadnˇe lze skrze vstupnˇe-výstupn´ı kartu MF624 model ovládat z poˇc´ıtaˇce v prostˇred´ı MATLAB/Simulink. Velmi dobrý start do ˇzivota“ se tomuto modelu vodn´ıho hospodáˇrstv´ı povedl jiˇz ” tˇesnˇe po jeho dokonˇcen´ı dne 24.4.2011, kdy si uˇzil svých pár vteˇrin slávy v poledn´ıch ˇ 24 h http://www.ct24.cz/vysilani/2011/04/24/211411012000424zprávách na stanici CT 12:00-poledni-udalosti/i, kde byl divák˚ um ukázán v rámci reportáˇze z této ˇskoly, ve které se jej podaˇrilo u ´ spˇeˇsnˇe navrhnout a vyrobit. Dva dny na to se ve ˇskole konalo slavnostn´ı otevˇren´ı nové laboratoˇre aplikované informatiky a fyziky za u ´ˇcasti veden´ı ˇskoly, ˇ zástupc˚ u Jihoˇceského kraje, Ceského vysokého uˇcen´ı technického v Praze, ˇreditel˚ u vybraných stˇredn´ıch ˇskol a zástupc˚ u soukromých firem, kteˇr´ı si tento model se zájmem prohlédli a hodnotili jej s pochvalných uznán´ım. Budouc´ı výuka ˇr´ızen´ı na tomto modelu vodn´ıho hospodáˇrstv´ı ukáˇze, zda-li se model povedl navrhnout kvalitnˇe a jistˇe se podaˇr´ı odstranit i pˇr´ıpadné nedokonalosti, na které se dosud vzhledem ke krátkému ˇcasu testován´ı nepˇriˇslo. Tento model také jistˇe pˇrispˇeje ke zlepˇsen´ı výuky fyziky a ˇr´ızen´ı, coˇz ocen´ı pˇredevˇs´ım sami studenti. Jistˇe pˇrekonaj´ı poˇcáteˇcn´ı ned˚ uvˇeru, ˇci snad odpor, k problematice modern´ı teorie ˇr´ızen´ı a i tento model jim k tomu budiˇz nápomocen.

Literatura Belza, J. (2004), Operaˇcn´ı zesilovaˇce pro obyˇcejné smrteln´ıky, BEN – technická literatura. ISBN 80-7300-115-2. Hanzl´ık, J. (2008), Distribuovaný ˇr´ıdic´ı systém s automaty rockwell automation, Masˇ ter’s thesis, CVUT v Praze, Fakulta elektrotechnická. Kupka, L. (2007), MATLAB & Simulink u ´vod do pouˇz´ıván´ı, Lanˇskroun: JSPRINT CZ s.r.o. ISBN 978-80-239-8871-0. ´ vra, P. (2008), Strojnické tabulky, 4, Albra – pedagogické naklaLeinveber, J. a Va datelstv´ı. ISBN 978-80-7361-051-7. ˇek, J. a Ha ´ jek, J. (2009), Laboratoˇr teorie automatického ˇr´ızen´ı Roubal, J., Holec [online]. [cit. 2011-05-02], hhttp://support.dce.felk.cvut.cz/lab26/i. Roubal, J., Huˇ sek, P. a kol. (2010), Regulaˇcn´ı technika v pˇr´ıkladech, Praha: BEN – technická literatura. ISBN 978-80-7300-260-2. Siemens (2011), Solid edge. [cit. 2011-04-27], hhttp://www.plm.automation.siemens.com/cz cz/products/velocity/solidedge/i. Smaris (2005), Hydrostatické mˇeˇren´ı výˇsky hladiny LMP 331 Nerezov´ a vestavná sonda, Smaris, Na zápovˇedi 546 Uherské Hradiˇstˇe 686 01. ´ , J. a Za ´ hlava, V. (2005), Elektronika – Souˇcástky a obvody, principy Vobecky a pˇr´ıklady, Grada Publishing. ISBN 80-247-1241-5.

49

50

LITERATURA

Pˇ r´ıloha A Pouˇ zit´ y software Adobe Photoshop http://www.adobe.com/cz/products/photoshop.html Corel Draw http://apps.corel.com/int/cz/products/cdgs/ GPL Ghostscript 8.64 http://pages.cs.wisc.edu/ ghost/doc/GPL/gpl864.htm GSview 4.9 http://pages.cs.wisc.edu/ ghost/gsview/ MATLAB 7.3.0 (R2006b) http://www.mathworks.com/products/matlab/ LATEX 2ε http://www.miktex.org/ Simulink http://www.mathworks.com/products/simulink/ Solid Edge V20 http://www.solidedge.com/ Virtual Reality Toolbox http://www.mathworks.com/products/3d-animation/ V-Realm Builder 2.0 http://www.humusoft.com/ WinEdt 6.0 http://www.winedt.com/ – 30ti denn´ı trialverze Zoner Callisto http://www.zoner.cz/

I

II

ˇ ÍLOHA A. POUZIT ˇ Y ´ SOFTWARE PR

Pˇ r´ıloha B Tvorba modelu v ˇ case 24.03.2010 Zaˇcátek tvorby matematického popisu 13.04.2010 Poptávka elektricky ovládaných ventil˚ u 15.04.2010 Cenový rozpoˇcet senzor˚ u a akˇcn´ıch ˇclen˚ u 03.05.2010 Objednávka ˇcerpadel, sn´ımaˇc˚ u a ventil˚ u 20.05.2010 K dispozici jiˇz 2 proporcionáln´ı ventily a zubové ˇcerpadlo 18.06.2010 Dorazilo odstˇredivé ˇcerpadlo a diskrétn´ı ventil 01.09.2010 Oficiáln´ı zadán´ı AP 22.09.2010 Prvn´ı verze výkresové dokumentace 17.12.2010 Fináln´ı verze výkresové dokumentace 06.01.2011 Karta MF624 od firmy Humusoft nainstalována v poˇc´ıtaˇci 15.02.2011 Naˇrezány plexisklové d´ıly 24.02.2011 Zaˇcátek lepen´ı modelu 11.03.2011 Slepeny vˇsechny vˇeˇze 17.03.2011 Model kompletnˇe slepen 21.03.2011 Osazeno zubové a odstˇredivé ˇcerpadlo 22.03.2011 Dorazily konektory pro napájen´ı modelu a komunikaci s poˇc´ıtaˇcem III

ˇ ÍLOHA B. TVORBA MODELU V CASE ˇ PR

IV

25.03.2011 Zmˇeˇreny referenˇcn´ı hodnoty pro návrh elektroniky 04.04.2011 Navrˇzen vzhled pˇredn´ıho panelu 13.04.2011 Sraˇzeny hrany u pˇredn´ıho panelu ve firmˇe Röchling Machined Plastics s.r.o. 14.04.2011 Objednány elektronické souˇcástky pro ˇr´ızen´ı modelu 20.04.2011 Pˇrevoz modelu do laboratoˇre 21.04.2011 Hotový pˇredn´ı panel a DPS optoelektronických oddˇelovaˇc˚ u 23.04.2011 Hotová DPS pˇrevodn´ık˚ u pro sedmisegmentové zobrazovaˇce 26.04.2011 Provizornˇe zapojeno ruˇcn´ı ovládán´ı ˇcásti modelu vˇcetnˇe plnˇe funkˇcn´ıho mˇeˇren´ı výˇsek hladin 27.04.2011 Slavnostn´ı prezentace modelu v rámci celoˇskoln´ı akce

Pˇ r´ıloha C Obsah pˇ riloˇ zen´ eho DVD K této práci je pˇriloˇzeno DVD s následuj´ıc´ı adresáˇrovou strukturou: • Absolventská práce v LATEX 2ε • Fotodokumentace • Manuály senzor˚ u a akˇcn´ıch ˇclen˚ u • Objednávky a faktury • Schéma zapojen´ı elektroniky • Simulinkový model s virtuáln´ı realitou • Výkresová dokumentace a 3D model • Sikyr AP 2010 2011.pdf

V

VI

ˇ ÍLOHA C. OBSAH PRILO ˇ ˇ EHO ´ PR ZEN DVD

Pˇ r´ıloha D Rozpoˇ cet projektu Následuj´ıc´ı tabulka uvád´ı finanˇcn´ı rozpoˇcet modelu zahrnuj´ıc´ı nákupy jednotlivých souˇcást´ı a zakázky realizované mimo ˇskolu. Ceny jsou uvedeny vˇcetnˇe DPH a obvykle vˇcetnˇe poˇstovného a balného. Tabulka D.1: Finanˇcn´ı rozpoˇcet projektu

Komponenta

Kus˚ u Cena za kus

Cena celkem

Odstˇredivé ˇcerpadlo CM10P7-1 ˇ Zubové ˇcerpadlo Skoda Favorit

1

5 556,-

5 556,-

1

252,-

252,-

Dvoustavový ventil SCG262C013

1

2 426,-

2 426,-

Proporcionáln´ı ventil SCG202A057V

2

4 358,-

8 716,-

Sn´ımaˇc výˇsky hladiny LMP331

3

7 756,-

23 269,-

Lepidlo Acrifix 192

1

411,-

411,-

Plexisklo

-

-

5 016,-

Naˇrezán´ı plexiskla

-

-

2 500,-

Drobný materiál (tˇesnˇen´ı, ˇsroubky)

-

-

250,-


-

-

100,-

Komponenty elektroniky

-

-

4 700,-

Celkem

-

-

53 196,-

Následuj´ıc´ı tabulka uvád´ı hodinový rozpoˇcet práce na výrobˇe modelu realizované v rámci ˇskoly. Tabulka obsahuje zkratky, které znamenaj´ı: AP – absolventská práce, OV – u ´ sek odborného výcviku, E – u ´ sek elektro. VII

ˇ ÍLOHA D. ROZPOCET ˇ PR PROJEKTU

VIII

Tabulka D.2: Hodinov´ y rozpoˇcet projektu

Pr´ ace

ˇ Clovˇ eko-

Pracovn´ık

hodin Simulinkový model + analýza

40

autor AP

Výkresové dokumentace

120

autor AP

Výkresové dokumentace

15

konzultant AP

Obrábˇen´ı

36

uˇcitelé OV

Lepen´ı a montáˇz

40

autor AP, vedouc´ı AP, uˇcitelé OV

Návrh elektroniky

45

autor AP, uˇcitel E

Realizace elektroniky

70

autor AP, vedouc´ı AP, uˇcitel E

Text AP

200

autor AP, vedouc´ı AP

Celkem

566

-

Jen pro ilustraci pˇredpokládejme taxu 150,- Kˇc za hodinu, poté je celková cena práce 84 900,- Kˇc. Laboratorn´ı model tedy celkovˇe vyjde na 138 096,- Kˇc. Jen pro srovnán´ı podobný profi model od firmy Amira (www.amira.de) pˇrijde na cca. 220 000,- Kˇc.

Pˇ r´ıloha E V´ ykresov´ a dokumentace Na následuj´ıc´ıch stránkách je kompletn´ı výkresová dokumentace vytvoˇrená v programovém prostˇred´ı Solid Edge V20. Výkresy formátu A2 jsou z d˚ uvodu vazby vytiˇstˇeny na formát A3.

IX

Vyˇ sˇ s ı odborn a ˇ skola, Stˇ redn ı ˇ skola, Centrum odborn e pˇ r ıpravy Sezimovo Ust ı ABSOLVENTSK A PR ACE 2011 Tom aˇs ˇ Sik yˇ r

Recommend Documents